In un nuovo studio, un gruppo di ricerca dell'Università di Uppsala spiega il loro eccezionale successo nella raccolta di "buchi di elettroni caldi". I risultati del loro lavoro possono essere utilizzati per migliorare le celle solari, reazioni fotochimiche, e fotosensori. L'articolo scientifico è pubblicato in Materiali della natura .

Per un po 'di tempo, è noto che alcune nanoparticelle metalliche possono assorbire la luce e, nel processo, generano cariche elettriche positive e negative. Quando queste cariche si sviluppano in assorbimento della luce, sono indicati come "caldi". Le cariche negative sono elettroni e quelle positive sono note come "buchi elettronici, " dove manca un elettrone nella banda di valenza (gli elettroni nel guscio esterno dell'atomo).

Gli elettroni caldi sono un fenomeno ben studiato e il modo in cui possono accumularsi nei semiconduttori (materiali che conducono la corrente meno bene dei conduttori, come il rame, ma meglio degli isolanti, come la ceramica) è noto. Questo allunga la loro vita, consentendo loro di essere utilizzati in fotocatalizzatori, celle solari e fotosensori. Si sa molto meno sui buchi caldi.

Può essere utilizzato nelle celle solari e nella fotosintesi artificiale

Nel nuovo studio, i ricercatori sono riusciti a raccogliere più dell'80% dei buchi caldi in un semiconduttore, che è il triplo di quanto si riteneva possibile in precedenza. Il processo è sorprendentemente veloce:ci vogliono meno di 200 femtosecondi (0,000000000002 s). La fattibilità di raccogliere le cariche in un semiconduttore significa che possono essere utilizzate nelle celle solari e nella fotosintesi artificiale, ad esempio per ridurre l'anidride carbonica e produrre idrogeno e ossigeno dall'acqua.

I ricercatori avevano fatto la previsione teorica che l'accumulo delle cariche positive avrebbe influenzato anche la dinamica delle cariche negative. Questa ipotesi è confermata dalle osservazioni incluse nel nuovo studio. Quando la luce viene assorbita e si producono cariche elettriche, la "temperatura elettronica" aumenta. La raccolta dei fori caldi fa aumentare la capacità termica elettronica, modificando quanto aumenta la temperatura dell'elettrone.

Ciò indica che è possibile manipolare la distribuzione dell'energia degli elettroni controllando il grado in cui vengono rimossi i fori di elettroni. Si tratta di un risultato significativo poiché consente, Per esempio, regolazione della tensione massima in una cella solare plasmonica diretta (cella solare che converte la luce in energia elettrica utilizzando i plasmoni come materiale fotovoltaico attivo) o controllo della "finestra" reattiva in un processo fotocatalitico.