Fysikere ser overraskende stærkt lys, høj varme fra nanogaps mellem plasmoniske elektroder

At se lys dukke op fra et nanoskalaeksperiment kom ikke som en stor overraskelse for Rice University-fysikere. Men det fik deres opmærksomhed, da det lys var 10, 000 gange lysere end de forventede.

Fysiker af kondenseret stof Doug Natelson og hans kolleger ved Rice og University of Colorado Boulder opdagede denne massive emission fra et nanoskala-gab mellem to elektroder lavet af plasmoniske materialer, især guld.

Laboratoriet havde for et par år siden fundet ud af, at ophidsede elektroner sprang ud af hullet, et fænomen kendt som tunneling, skabt en større spænding, end hvis der ikke var et hul i de metalliske platforme.

I den nye undersøgelse i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver , når disse varme elektroner blev skabt af elektroner drevet til tunnel mellem guldelektroder, deres rekombination med huller udsendt skarpt lys, og jo større indgangsspænding, jo klarere lys.

Undersøgelsen ledet af Natelson og hovedforfatterne Longji Cui og Yunxuan Zhu vises i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver og bør være af interesse for dem, der forsker i optoelektronik, kvanteoptik og fotokatalyse.

Effekten afhænger af metallets plasmoner, krusninger af energi, der flyder hen over dens overflade. "Folk har undersøgt tanken om, at plasmonerne er vigtige for det elektrisk drevne lysemissionsspektrum, men ikke generere disse varme transportører i første omgang, " sagde Natelson. "Nu ved vi, at plasmoner spiller flere roller i denne proces."

Forskerne dannede flere metaller til mikroskopiske, butterfly-formede elektroder med nanogaps, en testleje udviklet af laboratoriet, der lader dem udføre samtidig elektrontransport og optisk spektroskopi. Guld var den bedste performer blandt elektroder, de prøvede, herunder forbindelser med plasmondæmpende chrom og palladium valgt til at hjælpe med at definere plasmonernes rolle i fænomenet.

"Hvis plasmonernes eneste rolle er at hjælpe med at koble lyset ud, så kan forskellen mellem at arbejde med guld og noget som palladium være en faktor på 20 eller 50, " sagde Natelson. "Det faktum, at det er en faktor på 10, 000 fortæller dig, at der sker noget andet."

Årsagen ser ud til at være, at plasmoner henfalder "næsten øjeblikkeligt" til varme elektroner og huller, han sagde. "Den kontinuerlige kværn, bruge strøm til at sparke materialet til at generere flere elektroner og huller, giver os denne steady-state varme distribution af transportører, og vi har været i stand til at vedligeholde det i minutter ad gangen, " sagde Natelson.

Gennem spektret af det udsendte lys, forskernes målinger viste, at de varme bærere er virkelig varme, når temperaturer over 3, 000 grader Fahrenheit, mens elektroderne forbliver relativt kølige, selv med et beskedent input på omkring 1 volt.

Natelson sagde, at opdagelsen kunne være nyttig i udviklingen af ​​optoelektronik og kvanteoptik, studiet af lys-stof-interaktioner i forsvindende små skalaer. "Og på kemisiden, denne idé om, at du kan have meget varme bærere er spændende, " sagde han. "Det indebærer, at du kan få visse kemiske processer til at køre hurtigere end normalt.

"Der er mange forskere interesseret i plasmonisk fotokatalyse, hvor du skinner lys ind, excitere plasmoner og de varme bærere fra disse plasmoner laver interessant kemi, " sagde han. "Dette supplerer det. I princippet, du kan elektrisk excitere plasmoner, og de varme bærere, de producerer, kan lave interessant kemi."