Billeddannelse af nanoporøse metaller med elektronstråler giver dyb indsigt i usædvanlige optiske egenskaber

Guld anses normalt for at være et skinnende metal - dog i sin porøse form, guld fremstår faktisk mat og sort. Overfladerne af nanoporøst guld er ru, og metallet mister sin glans. Michel Bosman ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og kolleger har nu eksperimentelt påvist, at sløvheden er en konsekvens af den måde, indkommende lys kobler sig på elektronerne på guldoverfladen.

En lysstråle, der rammer metal, kan få alle elektronerne ved overfladen til at oscillere i forening. Hvis lyset er inden for et passende smalt bølgelængdebånd, det bliver absorberet af overfladen og skaber halvstof-hybridpartikler kendt som overfladeplasmonpolaritoner (SPP'er). Bosman og hans team viste, at den smalbåndede absorption af mange SPP'er på tværs af en overflade kan kombineres for at give bredbånds højabsorptionsegenskaber af nanoporøse materialer. ”Vores målinger viser, at disse materialer slet ikke er sorte, når de ses tæt på; de er faktisk meget farverige, ” forklarer Bosman. "De ser kun sorte ud for os, fordi vi ser på dem langvejs fra, hvor alle de forskellige farver er blevet absorberet over et stort område.”

Disse effekter forårsaget af SPP'erne forekommer på sub-mikron niveau. Af denne grund, konventionelle optiske billeddannelsesmetoder tilbyder ikke den opløsning, der er nødvendig for at se SPP'er direkte. Som svar, holdet brugte billeddannelsesteknikker baseret på elektronstråler. Ved at affyre elektroner mod overfladen og måle den energi, de mister under deres interaktion med materialet, Bosman og hans team var i stand til at beregne den energi, der kræves for at skabe en SPP, og ud fra dette kunne de udlede lysets bølgelængde, som det ville absorbere.

Forskerne scannede deres elektronstråle hen over både guld- og sølvfilm, hvilket gjorde det muligt for dem at generere et todimensionelt kort, der viser både bølgelængden af ​​lys absorberet på et bestemt punkt såvel som den lokale overfladegeometri (se billede). Den varierende form og størrelse af nanoporerne gav anledning til SPP'er, der absorberer lys ved en bred vifte af bølgelængder.

Konceptet kan føre til forbedret effektkonverteringseffektivitet i solcelleanlæg. "Disse resultater viser, at det er muligt at designe farven på en guld- eller sølvfilm, ” siger Bosman. "Det vil, for eksempel, være muligt mere effektivt at absorbere sollysets energi, ved at justere lysabsorptionen af ​​guldet eller sølvet til solspektrets lysabsorption."