Forskere tid plasmon-genererede elektroner bevæger sig fra nanorods til grafen

(Phys.org) – Plasmoniske nanopartikler udviklet ved Rice University er ved at blive kendt for deres evne til at omdanne lys til varme, men hvordan man bruger dem til at generere elektricitet er ikke nær så godt forstået.

Forskere ved Rice arbejder på det, også. De foreslår, at udvindingen af ​​elektroner genereret af overfladeplasmoner i metalnanopartikler kan optimeres.

Risforskere ledet af kemiker Stephan Link og kandidatstuderende Anneli Hoggard bestræber sig på at forstå fysikken; de startede med at måle hastigheden og effektiviteten af ​​ophidsede "varme" elektroner trukket fra guldnanopartikler ind i et ark grafen.

Det er en god ting for forskere og ingeniører at vide, da de arbejder på teknologier ud over standard fotovoltaiske enheder, der sluger lys for at drive kemiske reaktioner eller næste generations elektronik. Arbejdet blev for nylig rapporteret i American Chemical Society journal ACS Nano .

"Vi har set på denne proces på et enkeltpartikelniveau, " sagde hovedforfatter Hoggard. "I stedet for at se på en enhed, der har mange kryds, vi har set på en partikel ad gangen. Vi skulle måle en masse partikler for at få en god statistik."

Mørkefeltspredning og fotoluminescensspektroskopi af mere end 200 nanopartikler hjalp dem med at bestemme, at det tager omkring 160 femtosekunder (kvadrilliontedele af et sekund) for en elektron at overføre fra partiklen til stærkt ledende grafen, den enkeltatom-tykke form af kulstof.

Plasmoner er den kollektive excitation af frie elektroner i metaller, når det stimuleres af en energikilde som sollys eller en laser, opsætte en harmonisk svingning af overfladeladningerne svarende til bølger. I processen, de spreder lys, der kan læses af et spektrometer, som fanger og kategoriserer lys efter dets bølgelængder.

Hvis energitilførslen er intens nok, outputtet kan også være intenst. I et praktisk eksempel demonstreret ved Rice, plasmon excitation i guld nanopartikler producerer varme, der øjeblikkeligt forvandler selv iskoldt vand til damp.

Den excitationsenergi kan også kanaliseres i andre retninger gennem skabelsen af ​​varme elektroner, der kan overføres til passende acceptorer, Link sagde, men hvor hurtigt brugbare elektroner strømmer fra plasmoniske nanopartikler er lidt forstået. "Plasmonen genererer varme elektroner, der henfalder meget hurtigt, så det er en udfordring at opsnappe dem, " sagde han. "Vi er nu klar over, at disse elektroner kan være nyttige."

Den tanke fik Links laboratorium til at gå i gang med den møjsommelige indsats for at analysere enkelte nanopartikler. Forskerne placerede guldnanoroder på senge af både inert kvarts og stærkt ledende grafen og brugte et spektrometer til at se linjebredden af ​​plasmon-spredningsspektret.

Den homogene linjebredde opnået via enkeltpartikelspektroskopi er et mål for det område af bølgelængder, der resonant exciterer en overfladeplasmon. Det er også et mål for plasmonets levetid. Brede linjebredder svarer til korte levetider og smalle linjebredder til lange levetider.

Risforskerne fandt ud af, at grafen udvidede nanorodernes overfladeplasmonrespons – og forkortede dens levetid – ved at acceptere varme elektroner. Ved at fungere som en elektronacceptor, grafenen accelererede dæmpningen af ​​plasmonerne. Forskellen i dæmpning mellem kvarts- og grafenprøverne gav et middel til at beregne elektronernes overførselstid.

"Plasmonresonansen bestemmes af størrelsen og formen af ​​nanopartiklerne, " sagde Hoggard. "Og det ser normalt ud som en enkelt top for guld nanorods. Men der er vigtige parametre om toppen:Placeringen og toppen af ​​toppen kan give os oplysninger om selve partiklen, eller hvilken type miljø den er i. Så vi så på, hvordan bredden af ​​toppen ændrer sig, når nanopartikler introduceres i et elektron-accepterende miljø, som i dette tilfælde er grafen."

Rislaboratoriet håber at optimere forbindelsen mellem nanopartiklerne og grafen eller et andet substrat, fortrinsvis en halvleder, der vil tillade dem at fange varme elektroner.

"Men dette eksperiment handlede ikke om at lave en bestemt enhed, "Link sagde." Det handlede om at måle overførselstrinnet. Selvfølgelig, nu tænker vi på at designe systemer til at adskille opladningen længere, da elektronerne hurtigt overførte tilbage til guldnanoroderne. Vi ønsker at sætte disse varme elektroner i arbejde for enheder som fotodetektorer eller som katalysatorer, hvor disse elektroner kan lave kemi.

"Det ville være fascinerende, hvis vi kunne bruge denne proces som en kilde til varme elektroner til katalyse og også som et analytisk værktøj til at observere sådanne plasmonaktiverede reaktioner. Det er det store billede."