Omfattende model optrævler kvantemekaniske effekter bag fotoluminescens i tynde guldfilm

EPFL-forskere har udviklet den første omfattende model af de kvantemekaniske effekter bag fotoluminescens i tynde guldfilm; en opdagelse, der kunne drive udviklingen af ​​solbrændstoffer og batterier.

Luminescens, eller emission af fotoner fra et stof, der udsættes for lys, har været kendt for at forekomme i halvledermaterialer som silicium i hundreder af år. Elektronernes opførsel i nanoskala, når de absorberer og derefter genudsender lys, kan fortælle forskerne en hel del om halvlederes egenskaber, hvorfor de ofte bruges som sonder til at karakterisere elektroniske processer, som dem der forekommer inde i solceller.

I 1969 opdagede videnskabsmænd, at alle metaller luminescerer til en vis grad, men de mellemliggende år formåede ikke at give en klar forståelse af, hvordan dette opstår. Fornyet interesse for denne lysemission, drevet af nanoskala temperaturkortlægning og fotokemiapplikationer, har genoplivet debatten omkring dens oprindelse. Men svaret var stadig uklart - indtil nu.

"Vi udviklede metalguldfilm af meget høj kvalitet, som satte os i en unik position til at belyse denne proces uden de forvirrende faktorer fra tidligere eksperimenter," siger Giulia Tagliabue, leder af Laboratory of Nanoscience for Energy Technologies (LNET) på skolen i ingeniørvidenskab.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Light:Science &Applications Tagliabue og LNET-teamet fokuserede laserstråler på de ekstremt tynde - mellem 13 og 113 nanometer - guldfilm og analyserede derefter den resulterende svage glød.

Dataene genereret fra deres præcise eksperimenter var så detaljerede – og så uventede – at de samarbejdede med teoretikere ved Barcelona Institute of Science and Technology, Syddansk Universitet og Rensselaer Polytechnic Institute (USA) for at omarbejde og anvende kvantemekanisk modellering metoder.

Forskernes omfattende tilgang gjorde det muligt for dem at afgøre debatten omkring typen af ​​luminescens, der stammer fra filmene - fotoluminescens - som er defineret af den specifikke måde, elektroner og deres modsat ladede modstykker (huller) opfører sig på som reaktion på lys. Det gav dem også mulighed for at producere den første komplette, fuldt kvantitative model af dette fænomen i guld, som kan anvendes på ethvert metal.

Uventede kvanteeffekter

Tagliabue forklarer, at holdet ved at bruge en tynd film af monokrystallinsk guld fremstillet med en ny synteseteknik studerede fotoluminescensprocessen, da de gjorde metallet tyndere og tyndere. "Vi observerede visse kvantemekaniske effekter, der dukkede op i film på op til omkring 40 nanometer, hvilket var uventet, for normalt for et metal ser man ikke sådanne effekter, før man kommer et godt stykke under 10 nm," siger hun.

Disse observationer gav vigtige rumlige oplysninger om præcis, hvor fotoluminescensprocessen fandt sted i guldet, hvilket er en forudsætning for metallets anvendelse som sonde. Et andet uventet resultat af undersøgelsen var opdagelsen af, at guldets fotoluminescerende (Stokes) signal kunne bruges til at undersøge materialets egen overfladetemperatur - en velsignelse for forskere, der arbejder på nanoskala.

"For mange kemiske reaktioner på overfladen af ​​metaller er der en stor debat om, hvorfor og under hvilke forhold disse reaktioner opstår. Temperatur er en nøgleparameter, men det er ekstremt svært at måle temperatur på nanoskala, fordi et termometer kan påvirke din måling. Så det er en kæmpe fordel at være i stand til at sondere et materiale ved at bruge selve materialet som sonde," siger Tagliabue.

En guldstandard for udvikling af solbrændstof

Forskerne mener, at deres resultater vil gøre det muligt at bruge metaller til at opnå en hidtil uset detaljeret indsigt i kemiske reaktioner, især dem, der er involveret i energiforskning. Metaller som guld og kobber - LNET's næste forskningsmål - kan udløse visse nøglereaktioner, såsom reduktion af kuldioxid (CO₂ ) tilbage til kulstofbaserede produkter som solbrændstoffer, som lagrer solenergi i kemiske bindinger.

"For at bekæmpe klimaændringer får vi brug for teknologier til at omdanne CO₂ ind i andre nyttige kemikalier på den ene eller anden måde," siger LNET postdoc Alan Bowman, undersøgelsens første forfatter.

"At bruge metaller er en måde at gøre det på, men hvis vi ikke har en god forståelse af, hvordan disse reaktioner sker på deres overflader, så kan vi ikke optimere dem. Luminescens tilbyder en ny måde at forstå, hvad der sker i disse metaller. ."

Flere oplysninger: Alan R. Bowman et al., Kvantemekaniske effekter i fotoluminescens fra tynde krystallinske guldfilm, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01408-2

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne