Mycket energisk, "heta" elektroner har potential att hjälpa solpaneler att mer effektivt skörda ljusenergi.

Men forskare har inte kunnat mäta energierna hos dessa elektroner, begränsa deras användning. Forskare vid Purdue University och University of Michigan byggde ett sätt att analysera dessa energier.

"Det har funnits många teoretiska modeller av heta elektroner men inga direkta experiment eller mätningar av hur de ser ut, " sa Vladimir "Vlad" Shalaev (shal-AYV), Purdue Universitys Bob och Anne Burnett framstående professor i elektro- och datateknik, som ledde Purdue-teamet i detta samarbetsarbete.

I en artikel publicerad i tidningen Vetenskap på torsdag, forskarna visade hur en teknik som använder ett skanningstunnelmikroskop integrerat med lasrar och andra optiska komponenter avslöjar energifördelningen av heta elektroner.

"Att mäta energidistribution innebär att kvantifiera hur många elektroner som finns tillgängliga vid en viss mängd energi. Den avgörande informationen saknades för att utöka användningen av heta elektroner, " sa Harsha Reddy, en Ph.D. student vid Purdues School of Electrical and Computer Engineering och en lika bidragande huvudförfattare på detta papper.

Heta elektroner genereras vanligtvis genom att en viss frekvens av ljus lyser på en noggrant konstruerad nanostruktur gjord av metaller som guld eller silver, spännande så kallade "ytplasmoner". Dessa plasmoner tros så småningom förlora en del av sin energi till elektroner, gör dem varma.

Medan heta elektroner kan ha temperaturer så höga som 2, 000 grader Fahrenheit, det är deras höga energi – snarare än materialtemperaturen – som gör dem användbara för energiteknik. I solpaneler, energier från heta elektroner skulle kunna omvandlas mer effektivt till elektrisk energi jämfört med konventionella metoder.

Heta elektroner kan också förbättra effektiviteten hos energiteknik som vätebaserade bränsleceller i bilar genom att påskynda kemiska reaktioner.

"I en typisk kemisk reaktion, reaktanterna måste ha tillräckligt med energi för att passera en tröskel för att fullborda reaktionen. Om du har dessa högenergielektroner, några av elektronerna skulle förlora sin energi till reaktanterna och skjuta dem över den tröskeln, gör den kemiska reaktionen snabbare, sa Reddy.

Reddy arbetade med Kun Wang, en postdoktor i en grupp vid University of Michigan under professorerna Edgar Meyhofer och Pramod Reddy, som var med och ledde forskningssatsningen. Tillsammans, de ägnade mer än 18 månader åt att utveckla experimentupplägget och ytterligare 12 månader på att mäta de heta elektronenergierna.

Forskarna byggde ett system som gjorde det möjligt för dem att upptäcka skillnaden i laddningsströmmar som genererades med och utan att excitera plasmonerna. Denna skillnad i strömmar innehåller den avgörande information som behövs för att bestämma energifördelningen av de heta elektronerna i den metalliska nanostrukturen.

Att lysa ett laserljus på en guldfilm med små åsar exciterar plasmoner i systemet, genererar heta elektroner. Forskarna mätte elektronernas energier genom att dra dem genom noggrant konstruerade molekyler till en guldelektrod i spetsen av ett skanningstunnelmikroskop. Forskare vid University of Liverpool syntetiserade några av molekylerna för dessa experiment.

Denna metod skulle kunna användas för att förbättra ett brett utbud av energirelaterade tillämpningar.

"Denna tvärvetenskapliga grundforskningsinsats belyser ett unikt sätt att mäta energin hos laddningsbärare. Dessa resultat förväntas spela en avgörande roll för att utveckla framtida tillämpningar inom energiomvandling, fotokatalys och fotodetektorer, till exempel, som är av stort intresse för försvarsdepartementet, " sa Chakrapani Varanasi, en programledare för arméns forskningskontor, som stödde denna studie.