I fisici della Rice University scoprono che i metalli plasmonici possono essere spinti a produrre "portatori caldi" che a loro volta emettono luce inaspettatamente brillante negli spazi su scala nanometrica tra gli elettrodi. Il fenomeno potrebbe essere utile per la fotocatalisi, ottica quantistica e optoelettronica. Credito:Longji Cui e Yunxuan Zhu/Rice University
Vedere la luce emergere da un esperimento su nanoscala non è stata una grande sorpresa per i fisici della Rice University. Ma ha attirato la loro attenzione quando quella luce aveva 10 anni, 000 volte più luminoso di quanto si aspettassero.
Il fisico della materia condensata Doug Natelson e i suoi colleghi della Rice e dell'Università del Colorado Boulder hanno scoperto questa massiccia emissione da uno spazio su nanoscala tra due elettrodi fatti di materiali plasmonici, particolarmente oro.
Il laboratorio aveva scoperto alcuni anni fa che gli elettroni eccitati saltavano il divario, un fenomeno noto come tunneling, ha creato una tensione maggiore che se non ci fossero spazi vuoti nelle piattaforme metalliche.
Nel nuovo studio sulla rivista American Chemical Society Nano lettere , quando questi elettroni caldi furono creati da elettroni spinti a tunnel tra elettrodi d'oro, la loro ricombinazione con fori emetteva luce intensa, e maggiore è la tensione di ingresso, più brillante è la luce.
Lo studio condotto da Natelson e dagli autori principali Longji Cui e Yunxuan Zhu appare sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere e dovrebbe essere di interesse per coloro che ricercano l'optoelettronica, ottica quantistica e fotocatalisi.
L'effetto dipende dai plasmoni del metallo, increspature di energia che fluiscono sulla sua superficie. "Le persone hanno esplorato l'idea che i plasmoni siano importanti per lo spettro di emissione della luce azionato elettricamente, ma non generando questi vettori caldi in primo luogo, " Ha detto Natelson. "Ora sappiamo che i plasmoni stanno giocando più ruoli in questo processo".
In alto, un'illustrazione mostra il setup sperimentale sviluppato alla Rice University per studiare l'effetto di come la corrente spinge i plasmoni di superficie localizzati (LSP) a produrre portatori caldi nel nanogap tra due elettrodi. Centro, una foto mostra una giunzione a tunnel luminescente tra due elettrodi d'oro con ingresso da 1 a 1,2 volt. In fondo, un grafico spettrografico mostra l'energia e l'intensità dei fotoni prodotti alla giunzione. Credito:Natelson Research Group/Rice University
I ricercatori hanno formato diversi metalli in microscopici, elettrodi a forma di papillon con nanogap, un banco di prova sviluppato dal laboratorio che consente loro di eseguire simultaneamente il trasporto di elettroni e la spettroscopia ottica. L'oro è stato il migliore tra gli elettrodi che hanno provato, compresi i composti con cromo e palladio che smorzano i plasmoni scelti per aiutare a definire la parte dei plasmoni nel fenomeno.
"Se l'unico ruolo dei plasmoni è quello di aiutare ad accoppiare la luce, allora la differenza tra lavorare con l'oro e qualcosa come il palladio potrebbe essere un fattore di 20 o 50, " Ha detto Natelson. "Il fatto che sia un fattore di 10, 000 ti dice che sta succedendo qualcosa di diverso."
La ragione sembra essere che i plasmoni decadono "quasi immediatamente" in elettroni caldi e lacune, Egli ha detto. "Quella continua agitazione, usando la corrente per spingere il materiale a generare più elettroni e lacune, ci dà questa distribuzione calda e stazionaria di vettori, e siamo stati in grado di mantenerlo per minuti alla volta, ", ha detto Natelson.
Attraverso lo spettro della luce emessa, le misurazioni dei ricercatori hanno rivelato che quei vettori caldi sono davvero caldi, raggiungendo temperature superiori a 3, 000 gradi Fahrenheit mentre gli elettrodi rimangono relativamente freddi, anche con un modesto ingresso di circa 1 volt.
Natelson ha affermato che la scoperta potrebbe essere utile per il progresso dell'optoelettronica e dell'ottica quantistica, lo studio delle interazioni luce-materia su scale evanescenti. "E dal lato della chimica, questa idea che tu possa avere corrieri molto piccanti è eccitante, "Ha detto. "Implica che si possono ottenere determinati processi chimici per eseguire più velocemente del solito.
"Ci sono molti ricercatori interessati alla fotocatalisi plasmonica, dove risplendi di luce, eccitano i plasmoni e i portatori caldi di quei plasmoni producono una chimica interessante, " ha detto. "Questo integra quello. In linea di principio, potresti eccitare elettricamente i plasmoni e i vettori caldi che producono possono fare una chimica interessante".
