Plasmonresonansen hos guldnanoroder på grafen breddas jämfört med guldnanoroder på kvarts, enligt en ny studie från Rice University-forskare. Den ytterligare toppbredden tillskrevs exciterad elektronöverföring mellan guld nanorods och grafen. Kredit:Anneli Hoggard/Rice University
(Phys.org) – Plasmoniska nanopartiklar utvecklade vid Rice University blir kända för sin förmåga att förvandla ljus till värme, men hur man använder dem för att generera elektricitet är inte alls lika väl förstått.
Forskare vid Rice arbetar med det, för. De föreslår att utvinningen av elektroner som genereras av ytplasmoner i metallnanopartiklar kan optimeras.
Risforskare under ledning av kemisten Stephan Link och doktoranden Anneli Hoggard strävar efter att förstå fysiken; de började med att mäta hastigheten och effektiviteten hos exciterade "heta" elektroner som dras från guldnanopartiklar till ett ark grafen.
Det är bra för forskare och ingenjörer att veta när de arbetar med teknologier bortom vanliga fotovoltaiska enheter som tappar ljus för att driva kemiska reaktioner eller nästa generations elektronik. Arbetet rapporterades nyligen i American Chemical Society journal ACS Nano .
"Vi har tittat på den här processen på en partikelnivå, " sa huvudförfattaren Hoggard. "Istället för att titta på en enhet som har många korsningar, vi har tittat på en partikel i taget. Vi var tvungna att mäta många partiklar för att få bra statistik."
Mörkfältsspridning och fotoluminescensspektroskopi av mer än 200 nanopartiklar hjälpte dem att fastställa att det tar cirka 160 femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund) för en elektron att överföra från partikeln till högledande grafen, den enkelatomtjocka formen av kol.
Plasmoner är den kollektiva exciteringen av fria elektroner i metaller som, när den stimuleras av en energikälla som solljus eller en laser, skapa en harmonisk svängning av ytladdningarna som liknar vågor. I processen, de sprider ljus som kan avläsas av en spektrometer, som fångar och kategoriserar ljus efter dess våglängder.
Rice University forskare fastställde hur lång tid det tar elektroner som genereras av plasmoner i en guld nanorod att överföra till ett ark av grafen genom spektroskopisk analys av hundratals partiklar. Forskningen kommer att hjälpa forskare att lägga strategi på sätt att samla in och lagra elektroner från plasmoniska partiklar. Kredit:Anneli Hoggard/Rice University
Om energitillförseln är tillräckligt intensiv, utgången kan också vara intensiv. I ett praktiskt exempel som visades på Rice, plasmonexcitation i guldnanopartiklar producerar värme som omedelbart förvandlar även iskallt vatten till ånga.
Den excitationsenergin kan också kanaliseras i andra riktningar genom skapandet av heta elektroner som kan överföras till lämpliga acceptorer, Link sa, men hur snabbt användbara elektroner flyter från plasmoniska nanopartiklar är föga förstått. "Plasmon genererar heta elektroner som förfaller mycket snabbt, så att fånga upp dem är en utmaning, " sa han. "Vi inser nu att dessa elektroner kan vara användbara."
Den tanken fick Links labb att påbörja den mödosamma ansträngningen att analysera enskilda nanopartiklar. Forskarna placerade guld nanorods på bäddar av både inert kvarts och mycket ledande grafen och använde en spektrometer för att se linjebredden på plasmonspridningsspektrumet.
Den homogena linjebredden som erhålls via enkelpartikelspektroskopi är ett mått på intervallet av våglängder som resonant exciterar en ytplasmon. Det är också ett mått på plasmons livslängd. Breda linjebredder motsvarar kort livslängd och smala linjebredder långa livslängder.
Risforskarna fann att grafen breddade nanorodernas ytplasmonrespons - och förkortade dess livslängd - genom att acceptera heta elektroner. Genom att agera som elektronacceptor, grafenen accelererade dämpningen av plasmonerna. Skillnaden i dämpning mellan kvarts- och grafenproven gav ett sätt att beräkna elektronernas överföringstid.
"Plasmonresonansen bestäms av nanopartikelns storlek och form, ", sa Hoggard. "Och det brukar se ut som en enda topp för guld nanorods. Men det finns viktiga parametrar om toppen:positionen och bredden på toppen kan ge oss information om själva partikeln, eller vilken typ av miljö den befinner sig i. Så vi tittade på hur toppens bredd förändras när nanopartiklar introduceras i en elektronaccepterande miljö, som i det här fallet är grafen."
Rislabbet hoppas kunna optimera kopplingen mellan nanopartiklarna och grafen eller annat substrat, företrädesvis en halvledare som gör att de kan fånga heta elektroner.
"Men det här experimentet handlade inte om att göra en specifik enhet, ", sa Link. "Det handlade om att mäta överföringssteget. Självklart, nu funderar vi på att designa system för att separera laddningen längre, eftersom elektronerna snabbt överfördes tillbaka till guldnanoroderna. Vi vill få dessa heta elektroner att fungera för enheter som fotodetektorer eller som katalysatorer där dessa elektroner kan göra kemi.
"Det skulle vara fascinerande om vi kunde använda den här processen som en källa till heta elektroner för katalys och även som ett analytiskt verktyg för att observera sådana plasmonaktiverade reaktioner. Det är den stora bilden."
