Discovery låser op for varme elektroner for mere effektiv energiudnyttelse

Meget energisk, "varme" elektroner har potentialet til at hjælpe solpaneler mere effektivt med at høste lysenergi.

Men videnskabsmænd har ikke været i stand til at måle energierne af disse elektroner, begrænse deres brug. Forskere ved Purdue University og University of Michigan byggede en måde at analysere disse energier på.

"Der har været mange teoretiske modeller af varme elektroner, men ingen direkte eksperimenter eller målinger af, hvordan de ser ud, " sagde Vladimir "Vlad" Shalaev (shal-AYV), Purdue University's Bob og Anne Burnett anerkendte professor i elektro- og computerteknik, der ledede Purdue-teamet i dette samarbejde.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Videnskab på torsdag, forskerne demonstrerede, hvordan en teknik, der anvender et scanningstunnelmikroskop integreret med lasere og andre optiske komponenter, afslører energifordelingen af ​​varme elektroner.

"At måle energifordeling betyder at kvantificere, hvor mange elektroner der er tilgængelige ved en vis mængde energi. Den afgørende information manglede for at udvide brugen af ​​varme elektroner, " sagde Harsha Reddy, en ph.d. studerende på Purdue's School of Electrical and Computer Engineering og en lige så bidragende hovedforfatter på dette papir.

Varme elektroner genereres typisk ved at skinne en vis lysfrekvens på en nøje konstrueret nanostruktur lavet af metaller som guld eller sølv, spændende såkaldte "overfladeplasmoner". Disse plasmoner menes til sidst at miste noget af deres energi til elektroner, gør dem varme.

Mens varme elektroner kan have temperaturer så høje som 2, 000 grader Fahrenheit, det er deres høje energi – snarere end materialetemperaturen – der gør dem nyttige til energiteknologier. I solpaneler, energier fra varme elektroner kunne konverteres mere effektivt til elektrisk energi sammenlignet med konventionelle tilgange.

Varme elektroner kan også forbedre effektiviteten af ​​energiteknologi såsom brintbaserede brændselsceller i biler ved at fremskynde kemiske reaktioner.

"I en typisk kemisk reaktion, reaktanterne skal have nok energi til at krydse en tærskel for at fuldføre reaktionen. Hvis du har disse højenergielektroner, nogle af elektronerne ville miste deres energi til reaktanterne og skubbe dem over den tærskel, gør den kemiske reaktion hurtigere, " sagde Reddy.

Reddy arbejdede med Kun Wang, en postdoc forsker i en University of Michigan-gruppe under professorerne Edgar Meyhofer og Pramod Reddy, der ledede forskningsindsatsen. Sammen, de brugte mere end 18 måneder på at udvikle forsøgsopstillingen og yderligere 12 måneder på at måle de varme elektronenergier.

Forskerne byggede et system, der gjorde det muligt for dem at detektere forskellen i ladningsstrømme genereret med og uden at excitere plasmonerne. Denne forskel i strømme indeholder den afgørende information, der er nødvendig for at bestemme energifordelingen af ​​de varme elektroner i den metalliske nanostruktur.

At skinne et laserlys på en guldfilm med bittesmå kamme ophidser plasmoner i systemet, generere varme elektroner. Forskerne målte elektronernes energier ved at trække dem gennem omhyggeligt konstruerede molekyler ind i en guldelektrode i spidsen af ​​et scanningstunnelmikroskop. Forskere ved University of Liverpool syntetiserede nogle af molekylerne til disse eksperimenter.

Denne metode kan bruges til at forbedre en bred vifte af energirelaterede applikationer.

"Denne tværfaglige grundforskningsindsats kaster lys over en unik måde at måle ladningsbærernes energi på. Disse resultater forventes at spille en afgørende rolle i udviklingen af ​​fremtidige applikationer inden for energikonvertering, fotokatalyse og fotodetektorer, for eksempel, som er af stor interesse for forsvarsministeriet, " sagde Chakrapani Varanasi, en programleder for Hærens Forskningskontor, som understøttede denne undersøgelse.