La resonancia de plasmón de las nanovarillas de oro en el grafeno se amplía en comparación con las nanovarillas de oro en el cuarzo. según un nuevo estudio realizado por científicos de la Universidad de Rice. El ancho de pico adicional se atribuyó a la transferencia de electrones excitados entre nanobarras de oro y grafeno. Crédito:Anneli Hoggard / Rice University
(Phys.org) - Las nanopartículas de plasma desarrolladas en la Universidad de Rice se están volviendo conocidas por su capacidad para convertir la luz en calor, pero no se comprende tan bien cómo utilizarlos para generar electricidad.
Los científicos de Rice están trabajando en eso, también. Sugieren que se puede optimizar la extracción de electrones generados por plasmones superficiales en nanopartículas metálicas.
Los investigadores de Rice dirigidos por el químico Stephan Link y la estudiante de posgrado Anneli Hoggard se esfuerzan por comprender la física; empezaron midiendo la velocidad y la eficiencia de los electrones "calientes" excitados extraídos de las nanopartículas de oro en una hoja de grafeno.
Es bueno que los científicos e ingenieros lo sepan mientras trabajan en tecnologías más allá de los dispositivos fotovoltaicos estándar que devoran la luz para impulsar reacciones químicas o electrónica de próxima generación. El trabajo fue publicado recientemente en la revista American Chemical Society. ACS Nano .
"Hemos analizado este proceso a nivel de una sola partícula, ", dijo el autor principal Hoggard." En lugar de mirar un dispositivo que tiene muchas uniones, hemos mirado una partícula a la vez. Tuvimos que medir muchas partículas para obtener buenas estadísticas ".
La espectroscopia de dispersión de campo oscuro y fotoluminiscencia de más de 200 nanopartículas les ayudó a determinar que se necesitan alrededor de 160 femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo) para que un electrón se transfiera de la partícula al grafeno altamente conductor. la forma de carbono de un solo átomo de espesor.
Los plasmones son la excitación colectiva de electrones libres en metales que, cuando es estimulado por una fuente de energía como la luz del sol o un láser, establece una oscilación armónica de las cargas superficiales similar a las ondas. En el proceso, dispersan luz que puede leerse con un espectrómetro, que captura y categoriza la luz según sus longitudes de onda.
Los investigadores de la Universidad de Rice determinaron la cantidad de tiempo que tardan los electrones generados por los plasmones en una nanovarilla de oro para transferirse a una hoja de grafeno a través del análisis espectroscópico de cientos de partículas. La investigación ayudará a los científicos a elaborar estrategias sobre formas de recolectar y almacenar electrones de partículas plasmónicas. Crédito:Anneli Hoggard / Rice University
Si la entrada de energía es lo suficientemente intensa, la salida también puede ser intensa. En un ejemplo práctico demostrado en Rice, La excitación del plasmón en nanopartículas de oro produce calor que instantáneamente convierte incluso el agua helada en vapor.
Esa energía de excitación también se puede canalizar en otras direcciones mediante la creación de electrones calientes que pueden transferirse a aceptores adecuados. Link dijo:pero se comprende poco qué tan rápido fluyen los electrones utilizables de las nanopartículas plasmónicas. "El plasmón genera electrones calientes que se desintegran muy rápidamente, así que interceptarlos es un desafío, ", dijo." Ahora nos estamos dando cuenta de que estos electrones pueden ser útiles ".
Ese pensamiento llevó al laboratorio de Link a embarcarse en el minucioso esfuerzo de analizar nanopartículas individuales. Los investigadores colocaron nanobarras de oro en lechos de cuarzo inerte y grafeno altamente conductor y usaron un espectrómetro para ver el ancho de línea del espectro de dispersión del plasmón.
El ancho de línea homogéneo obtenido mediante espectroscopía de una sola partícula es una medida del rango de longitudes de onda que excitan resonantemente un plasmón de superficie. También es una medida de la vida útil del plasmón. Los anchos de línea ancha corresponden a vidas cortas y los anchos de línea estrechos a vidas largas.
Los investigadores de Rice encontraron que el grafeno amplió la respuesta del plasmón superficial de las nanovarillas y acortó su vida útil al aceptar electrones calientes. Actuando como aceptor de electrones, el grafeno aceleró la amortiguación de los plasmones. La diferencia de amortiguación entre las muestras de cuarzo y grafeno proporcionó un medio para calcular el tiempo de transferencia de los electrones.
"La resonancia del plasmón está determinada por el tamaño y la forma de la nanopartícula, "Dijo Hoggard." Y generalmente aparece como un solo pico para nanobarras de oro. Pero hay parámetros importantes sobre el pico:la posición y el ancho del pico pueden darnos información sobre la partícula en sí, o el tipo de entorno en el que se encuentra. Así que observamos cómo cambia el ancho del pico cuando se introducen nanopartículas en un entorno que acepta electrones, que en este caso es el grafeno ".
El laboratorio de Rice espera optimizar la conexión entre las nanopartículas y el grafeno u otro sustrato, preferentemente un semiconductor que les permitirá atrapar electrones calientes.
"Pero este experimento no se trataba de hacer un dispositivo específico, "Dijo Link." Se trataba de medir el paso de transferencia. Por supuesto, ahora estamos pensando en diseñar sistemas para separar la carga por más tiempo, a medida que los electrones se transfirieron rápidamente de regreso a las nanobarras de oro. Queremos poner estos electrones calientes a trabajar para dispositivos como fotodetectores o como catalizadores donde estos electrones pueden hacer química.
"Sería fascinante si pudiéramos usar este proceso como una fuente de electrones calientes para la catálisis y también como una herramienta analítica para observar tales reacciones habilitadas por plasmones. Ese es el panorama general".
