Fysiker vid Rice University upptäcker att plasmoniska metaller kan fås att producera "heta bärare" som i sin tur avger oväntat starkt ljus i nanoskala mellan elektroderna. Fenomenet kan vara användbart för fotokatalys, kvantoptik och optoelektronik. Kredit:Longji Cui och Yunxuan Zhu/Rice University
Att se ljus komma från ett experiment i nanoskala kom inte som en stor överraskning för fysiker från Rice University. Men det fick deras uppmärksamhet när ljuset var 10, 000 gånger ljusare än de förväntade sig.
Fysikern för kondenserad materia Doug Natelson och hans kollegor vid Rice och University of Colorado Boulder upptäckte denna massiva emission från ett gap i nanoskala mellan två elektroder gjorda av plasmoniska material, speciellt guld.
Laboratoriet hade för några år sedan upptäckt att exciterade elektroner hoppade över gapet, ett fenomen som kallas tunnling, skapade en större spänning än om det inte fanns något gap i metallplattformarna.
I den nya studien i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver , när dessa heta elektroner skapades av elektroner som drevs till tunnel mellan guldelektroder, deras rekombination med hål avgav starkt ljus, och ju högre inspänningen är, desto starkare ljus.
Studien ledd av Natelson och huvudförfattarna Longji Cui och Yunxuan Zhu dyker upp i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver och bör vara av intresse för dem som forskar på optoelektronik, kvantoptik och fotokatalys.
Effekten beror på metallens plasmoner, krusningar av energi som flödar över dess yta. "Människor har utforskat tanken att plasmonerna är viktiga för det elektriskt drivna ljusemissionsspektrumet, men genererar inte dessa heta bärare i första hand, ", sa Natelson. "Nu vet vi att plasmoner spelar flera roller i denna process."
Överst, en illustration visar den experimentella uppsättningen som utvecklats vid Rice University för att studera effekten av hur ström får lokaliserade ytplasmoner (LSP) att producera heta bärare i nanogapet mellan två elektroder. Centrum, ett foto visar en ljusavgivande tunnelövergång mellan två guldelektroder med ingång från 1 till 1,2 volt. På botten, ett spektrografiskt diagram visar fotonenergin och intensiteten som produceras vid korsningen. Kredit:Natelson Research Group/Rice University
Forskarna formade flera metaller till mikroskopiska, fluga-formade elektroder med nanogaps, en testbädd utvecklad av labbet som låter dem utföra samtidig elektrontransport och optisk spektroskopi. Guld presterade bäst bland elektroderna de provade, inklusive föreningar med plasmondämpande krom och palladium valda för att hjälpa till att definiera plasmonernas del i fenomenet.
"Om plasmonernas enda roll är att hjälpa till att koppla ut ljuset, då kan skillnaden mellan att arbeta med guld och något som palladium vara en faktor på 20 eller 50, ", sa Natelson. "Det faktum att det är en faktor på 10, 000 säger att något annat är på gång."
Anledningen verkar vara att plasmoner sönderfaller "nästan omedelbart" till heta elektroner och hål, han sa. "Det där ständiga tjatet, använda ström för att sparka materialet till att generera fler elektroner och hål, ger oss denna steady-state heta distribution av bärare, och vi har kunnat behålla det i minuter åt gången, " sa Natelson.
Genom spektrumet av det utsända ljuset, forskarnas mätningar visade att de varma bärarna är riktigt heta, når temperaturer över 3, 000 grader Fahrenheit medan elektroderna förblir relativt svala, även med en blygsam ingång på ca 1 volt.
Natelson sa att upptäckten kan vara användbar i framkanten av optoelektronik och kvantoptik, studiet av ljus-materia-interaktioner i försvinnande små skalor. "Och på kemisidan, den här idén att du kan ha väldigt heta bärare är spännande, " sade han. "Det innebär att du kan få vissa kemiska processer att köra snabbare än vanligt.
"Det finns många forskare som är intresserade av plasmonisk fotokatalys, där du lyser ljus in, exciterar plasmoner och de heta bärarna från dessa plasmoner gör intressant kemi, " sa han. "Detta kompletterar det. I princip, du kan excitera plasmoner elektriskt och de heta bärarna de producerar kan göra intressant kemi."
