Los físicos de la Universidad de Rice descubren que se puede impulsar a los metales plasmónicos a producir "portadores calientes" que, a su vez, emiten una luz inesperadamente brillante en espacios a nanoescala entre electrodos. El fenómeno podría ser útil para la fotocatálisis, óptica cuántica y optoelectrónica. Crédito:Longji Cui y Yunxuan Zhu / Rice University
Ver la luz emerger de un experimento a nanoescala no fue una gran sorpresa para los físicos de la Universidad de Rice. Pero llamó su atención cuando esa luz tenía 10, 000 veces más brillante de lo que esperaban.
El físico de materia condensada Doug Natelson y sus colegas de Rice y la Universidad de Colorado Boulder descubrieron esta emisión masiva de un espacio a nanoescala entre dos electrodos hechos de materiales plasmónicos, particularmente oro.
El laboratorio había descubierto hace unos años que los electrones excitados saltaban la brecha, un fenómeno conocido como tunelización, creó un voltaje mayor que si no hubiera espacio en las plataformas metálicas.
En el nuevo estudio de la revista American Chemical Society Nano letras , cuando estos electrones calientes fueron creados por electrones conducidos para hacer un túnel entre electrodos de oro, su recombinación con agujeros emitió una luz brillante, y cuanto mayor sea el voltaje de entrada, cuanto más brillante es la luz.
El estudio dirigido por Natelson y los autores principales Longji Cui y Yunxuan Zhu aparece en la revista American Chemical Society Nano letras y debe ser de interés para quienes investigan la optoelectrónica, óptica cuántica y fotocatálisis.
El efecto depende de los plasmones del metal, ondas de energía que fluyen por su superficie. "La gente ha explorado la idea de que los plasmones son importantes para el espectro de emisión de luz impulsada eléctricamente, pero sin generar estos portadores calientes en primer lugar, ", Dijo Natelson." Ahora sabemos que los plasmones están desempeñando múltiples roles en este proceso ".
Hasta arriba, una ilustración muestra la configuración experimental desarrollada en la Universidad de Rice para estudiar el efecto de cómo la corriente impulsa a los plasmones de superficie localizados (LSP) a producir portadores calientes en el nanogap entre dos electrodos. Centrar, una foto muestra una unión de túnel emisor de luz entre dos electrodos de oro con una entrada de 1 a 1,2 voltios. En el fondo, un gráfico espectrográfico muestra la energía e intensidad de los fotones producidos en la unión. Crédito:Grupo de Investigación Natelson / Universidad Rice
Los investigadores formaron varios metales en microscópicos, electrodos en forma de pajarita con nanogaps, un banco de pruebas desarrollado por el laboratorio que les permite realizar transporte de electrones y espectroscopía óptica simultáneos. El oro fue el de mejor desempeño entre los electrodos que probaron, incluidos compuestos con cromo y paladio que amortiguan el plasmón, elegidos para ayudar a definir la parte de los plasmones en el fenómeno.
"Si la única función de los plasmones es ayudar a acoplar la luz, entonces la diferencia entre trabajar con oro y algo como el paladio podría ser un factor de 20 o 50, ", Dijo Natelson." El hecho de que sea un factor de 10, 000 te dice que está sucediendo algo diferente ".
La razón parece ser que los plasmones se desintegran "casi inmediatamente" en electrones calientes y huecos, él dijo. "Ese batido continuo, usando corriente para impulsar el material a generar más electrones y huecos, nos da esta distribución en caliente de estado estable de portadoras, y hemos podido mantenerlo durante minutos a la vez, "Dijo Natelson.
A través del espectro de la luz emitida, Las mediciones de los investigadores revelaron que esos portadores calientes están realmente calientes, alcanzando temperaturas superiores a 3, 000 grados Fahrenheit mientras los electrodos permanecen relativamente fríos, incluso con una entrada modesta de aproximadamente 1 voltio.
Natelson dijo que el descubrimiento podría ser útil en el avance de la optoelectrónica y la óptica cuántica. el estudio de las interacciones luz-materia a escalas cada vez más pequeñas. "Y por el lado de la química, esta idea de que puedes tener operadores muy atractivos es emocionante, ", dijo." Implica que puede lograr que ciertos procesos químicos se ejecuten más rápido de lo habitual.
"Hay muchos investigadores interesados en la fotocatálisis plasmónica, donde brillas la luz, excitan los plasmones y los portadores calientes de esos plasmones hacen una química interesante, ", dijo." Esto complementa eso. En principio, se pueden excitar eléctricamente los plasmones y los portadores calientes que producen pueden hacer una química interesante ".
