Forskere finder nanogaps i plasmoniske guldtråde øge spændingen, når de er spændte

Hvis de er hurtige til det, "varme" elektroner, der ophidses i et plasmonisk metal, kan tunnelere deres vej over et nanoskala -hul til et nærliggende metal. Forskere fra Rice University sagde, at den fede del er, hvad der sker i hullet.

Et Rice -team opdagede, at elektronerne kan skabe en fotovoltage, der er omkring tusind gange større end det, der ses, hvis der ikke er noget hul. Fundet viser, at det burde være muligt at oprette nanoskala fotodetektorer, der konverterer lys til elektricitet og kan bruges som sensorer eller i anden sofistikeret elektronik.

Resultater fra Rice -laboratoriet af fysikeren Douglas Natelson fra kondenseret materiale fremgår af American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

Natelsons laboratorium studerer det elektroniske, magnetiske og optiske egenskaber ved nanoskala strukturer, ofte ved at teste egenskaberne for systemer, der kun kan ses under et mikroskop.

Nogle undersøgelser involverer hele guld nanotråde, og nogle gange bryder laboratoriet tråden for at danne et hul på kun et par nanometer (milliarder af en meter). Et mål er at forstå, om og hvordan elektroner springer nanogapet under forskellige forhold, som ultrakølede temperaturer.

Når man ser på sådanne strukturer, forskerne befandt sig i at studere nanoskalaegenskaberne ved det, der er kendt som Seebeck (termoelektrisk) effekt, opdaget i 1821, hvor varme omdannes til elektricitet ved krydset mellem to ledninger af forskellige metaller. Seebeck opdagede, at der ville dannes en spænding over en enkelt leder, når den ene del er varmere end den anden.

"Hvis du vil lave termostater til dit hus eller din bils klimakontrol, sådan gør du det, "Sagde Natelson." Du forbinder to forskellige metaller til at lave et termoelement, og hold det kryds, hvor du vil måle temperaturen. Ved at kende forskellen mellem metallernes Seebeck -koefficienter og måle spændingen over termoelementet, du kan arbejde baglæns fra det for at få temperaturen. "

For at se, hvordan det fungerer i et enkelt metal på nanoskalaen, Natelson, hovedforfatter og tidligere postdoktor Pavlo Zolotavin og kandidatstuderende Charlotte Evans brugte en laser til at fremkalde en temperaturgradient hen over en sløjfeformet guldnanotråd. Det skabte en lille spænding, i overensstemmelse med Seebeck -effekten. Men med en nanogap, der splitter tråden, "dataene gjorde det klart, at en anden fysisk mekanisme er i gang, "skrev de.

Guld er et plasmonisk metal, en af ​​en klasse af metaller, der kan reagere på energiindgang fra en laser eller anden kilde ved spændende plasmoner på deres overflader. Plasmon-excitationer er frem-og-tilbage-sloshing af elektroner i metallet, som vand i et bassin.

Dette er nyttigt, Natelson forklarede, fordi oscillerende plasmoner kan påvises. Afhængigt af metallet og dets størrelse og form, disse plasmoner viser sig muligvis kun, når lyset beder dem om en bestemt bølgelængde.

I sløjferne, laserlys absorberet af plasmonerne skabte varme elektroner, der til sidst overførte deres energi til atomerne i metallet, vibrerer dem også. Den energi spredes som varme. I kontinuerlig, solide ledninger, temperaturforskellen forårsaget af laseren skabte også små spændinger. Men da nanogaps var til stede, de varme elektroner passerede gennem hulrummet og skabte meget større spændinger inden dispergering.

"Det er et pænt resultat, "Sagde Natelson." Hovedpunkterne er, først, at vi kan justere de termoelektriske egenskaber af metaller ved at strukturere dem på små skalaer, så vi kan lave termoelementer af et materiale. Sekund, en fokuseret laser kan fungere som en scannbar, lokal varmekilde, lad os kortlægge disse effekter. Skinnende lys på strukturen producerer en lille fotovoltage.

"Og for det tredje, i strukturer med virkelig nanoskala tunnelinghuller (1-2 nanometer), fotovoltagen kan være tusind gange større, fordi tunneleringsprocessen effektivt bruger nogle af de højenergiske elektroner, før deres energi går tabt til varme, "sagde han." Dette har potentiale for fotodetektorteknologier og viser det potentiale, der kan realiseres, hvis vi kan bruge varme elektroner, før de har en chance for at miste deres energi. "

Guld ser ud til at være det bedste metal til at vise effekten indtil nu, Natelson sagde, som kontroleksperimenter med guld-palladium og nikkel-nanogappede tråde ikke udførte så godt.

Forskerne anerkender flere mulige årsager til den dramatiske effekt, men de formoder stærkt, at tunneling af de fotogenererede varme transportører er ansvarlig.

"Du behøver ikke plasmoner til denne effekt, fordi enhver absorption, i hvert fald på kort tid, vil generere disse varme transportører, "Sagde Zolotavin." Men hvis du har plasmoner, de øger effektivt absorptionen. De interagerer meget stærkt med lys, og effekten bliver større, fordi plasmonerne gør absorptionen større. "