Ο μονοκρυσταλλικός χρυσός φέρνει τις ηλεκτρονικές συσκευές κοντά στο όριο απόδοσης – Physics World

Ο χρυσός είναι εδώ και πολύ καιρό ένας δημοφιλής τρόπος ενίσχυσης της φωτοευαισθησίας ηλεκτρονικών συσκευών όπως βιοαισθητήρες, συστήματα απεικόνισης, μηχανές συγκομιδής ενέργειας και επεξεργαστές πληροφοριών. Μέχρι στιγμής, ο χρυσός που χρησιμοποιήθηκε ήταν πολυκρυσταλλικός, αλλά τα τελευταία χρόνια διάφορες ερευνητικές ομάδες έχουν τελειοποιήσει τεχνικές για την παραγωγή μονοκρυσταλλικού χρυσού.

Ερευνητές με επικεφαλής τον Ανατόλι Ζάγιατς στο King's College του Λονδίνου, στο Ηνωμένο Βασίλειο και Τζούλια Ταλιάμπουε στην École Polytechnique Fédérale de Lausanne στην Ελβετία είναι τώρα αναφορά ότι τα ηλεκτρόνια σε αυτά τα νέα μονοκρυσταλλικά φιλμ χρυσού συμπεριφέρονται σημαντικά διαφορετικά από τα ηλεκτρόνια στον πολυκρυσταλλικό χρυσό. «Είχαμε εκπλήξεις που δεν περιμέναμε», λέει ο Zayats Κόσμος Φυσικής. Οι διαφορές, προσθέτει, θα μπορούσαν να αποφέρουν σημαντικά οφέλη για τις εφαρμογές.

Πλασμονικές πρακτικές

Ο χρυσός είναι ένας χρήσιμος φωτοευαισθητοποιητής επειδή υποστηρίζει μια συντονιστική απόκριση στην οποία το ταλαντευόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του προσπίπτοντος φωτός κάνει τα ηλεκτρόνια να λυγίζουν εμπρός και πίσω συλλογικά. Αυτή η συλλογική κίνηση ονομάζεται πλασμόνιο και καθώς η ταλάντωση βγαίνει από τη φάση, η ενέργεια στο πλασμόνιο περνά στα ηλεκτρόνια και στις θετικά φορτισμένες οπές του χρυσού. Χάρη σε αυτή τη μεταφορά ενέργειας, τα ηλεκτρόνια αναπτύσσουν μια αποτελεσματική θερμοκρασία πολύ υψηλότερη από τη θερμοκρασία ισορροπίας του υλικού. Αυτά τα «καυτά» ηλεκτρόνια είναι τόσο χρήσιμα για την έναρξη χημικών αντιδράσεων, τη σηματοδότηση ανίχνευσης φωτονίων, την αποθήκευση ενέργειας και ούτω καθεξής. Η κύρια πρόκληση είναι να τα εξαγάγετε πριν χάσουν την ενέργειά τους.

Ως επί το πλείστον, οι μεμβράνες χρυσού παράγονται με ψεκασμό του υλικού σε ένα υπόστρωμα, παράγοντας πολυκρυσταλλικές μικροδομές. Αν και οι χημικές διεργασίες που απαιτούνται για την ανάπτυξη του μονοκρυσταλλικού χρυσού είναι γνωστές εδώ και αρκετό καιρό, ο Zayats επισημαίνει ότι «δεν υπάρχει τίποτα δωρεάν σε αυτόν τον κόσμο» και οι ανταλλαγές είναι απότομες. Συγκεκριμένα, για μονοκρυσταλλικά στρώματα χρυσού πάχους μικρότερου των 100 nm, οι μέγιστες πλευρικές διαστάσεις είναι μόλις λίγα μικρόμετρα, γεγονός που περιορίζει τις εφαρμογές.

Ωστόσο, τα τελευταία δύο χρόνια, οι χημικές διεργασίες έχουν βελτιωθεί σε σημείο που οι μικρονιφάδες εκτείνονται σε εκατοντάδες μικρόμετρα με πάχος μικρότερο από 20 nm είναι δυνατά. Αυτές οι βελτιώσεις ώθησαν τον Zayats και τους συνεργάτες του να διερευνήσουν ποια πλεονεκτήματα μπορεί να έχουν για πλασμονικές εφαρμογές.

Διπλό χτύπημα

Για να διερευνήσουν τα πιθανά οφέλη των μονοκρυσταλλικών μικρονιφάδων χρυσού, ο Zayats και οι συνάδελφοί του συνέκριναν πολυκρυσταλλικές και μονοκρυσταλλικές εκδόσεις χρησιμοποιώντας παλμούς αντλίας και ανιχνευτή σε απόσταση μόλις femtosecond μεταξύ τους. Αυτοί οι παλμοί τους επέτρεψαν να παρακολουθούν τις εξαιρετικά γρήγορες διαδικασίες διάσπασης των θερμών ηλεκτρονίων. Βρήκαν ότι τα ηλεκτρόνια παρέμειναν ζεστά πολύ περισσότερο στις μονοκρυσταλλικές νιφάδες, ενώ στις πολυκρυσταλλικές νιφάδες, η παρουσία ορίων κόκκων οδήγησε σε μεγαλύτερη σκέδαση ηλεκτρονίων και μεγαλύτερη απώλεια ενέργειας.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι μπορούσαν να εξάγουν θερμά ηλεκτρόνια πολύ πιο αποτελεσματικά από τον μονοκρυσταλλικό χρυσό. Επειδή η γωνία για την ολική εσωτερική ανάκλαση ενός ηλεκτρονίου που προσπίπτει σε μια επιφάνεια χρυσού είναι μικρή, η επιφάνεια του πολυκρυσταλλικού χρυσού τραχύνεται σκόπιμα για να αυξηθούν οι πιθανότητες ένα ηλεκτρόνιο να χτυπήσει την επιφάνεια υπό γωνία που του επιτρέπει να διαφύγει και να εξαχθεί. Αντίθετα, η επιφάνεια του μονοκρυσταλλικού χρυσού ήταν ατομικά λεία, ωστόσο η απόδοση της εξαγωγής ηλεκτρονίων ήταν κοντά στο θεωρητικό όριο του 9%. Οι ερευνητές το αποδίδουν στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των θερμών ηλεκτρονίων, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια έχουν τόσες περισσότερες συναντήσεις με την επιφάνεια σε μια εξαιρετικά ενεργητική κατάσταση που τελικά θα διαφύγουν.

Αντίθετα, ο Zayats σημειώνει ότι τα πολυκρυσταλλικά φιλμ δέχονται διπλό χτύπημα. «Η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι χαμηλότερη και η απόδοση εξαγωγής χαμηλότερη», λέει. Όταν ξεκίνησαν τα πειράματά τους για να συγκρίνουν τις πολυκρυσταλλικές και μονοκρυσταλλικές νιφάδες, προσθέτει, δεν ήταν καθόλου ξεκάθαρο ότι αυτά τα αποτελέσματα θα ήταν τόσο εντυπωσιακά. Πράγματι, κάποιοι από την ομάδα αμφισβήτησαν το νόημα της διεξαγωγής των πειραμάτων.

Θεμελιώδεις διαφορές

Η μελέτη αποκάλυψε επίσης πιο διαφοροποιημένες διαφορές. Για παράδειγμα, οι ερευνητές μπόρεσαν να ανιχνεύσουν τα αποτελέσματα της παροδικής κατανομής ηλεκτρονίων που θολώνει τις διεπαφές των υλικών, αφαιρώντας τα αιχμηρά όρια που εμφανίζονται σε απλά μοντέλα «παιχνιδιών». Αυτά τα παροδικά ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με φωνόνια – δονήσεις πλέγματος – στο παρακείμενο υλικό υποστρώματος. Για λεπτότερα φιλμ χρυσού, αυτά τα παροδικά ηλεκτρόνια αποτελούν μεγαλύτερο ποσοστό των ηλεκτρονίων στο φιλμ χρυσού, έτσι τα ηλεκτρόνια συνολικά χάνουν την ενέργειά τους πιο γρήγορα. Ωστόσο, το αντίστροφο συμβαίνει όταν η ισχύς του λέιζερ διέγερσης αυξάνεται, επειδή είναι πιο ζεστά και χρειάζονται περισσότερο χτύπημα με φωνόνια για να κρυώσουν.

Τα αποτελέσματα έδειξαν επιπλέον μια αλλαγή στη δομή της ζώνης λόγω των μακρόβιων θερμών ηλεκτρονίων. Αν και η θεωρία προτείνει ότι οι αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις μεταξύ θερμών ηλεκτρονίων και μεταξύ θερμών ηλεκτρονίων και ατόμων πλέγματος μπορεί να οδηγήσουν σε αυτό το αποτέλεσμα, δεν ήταν σαφές ότι θα ήταν αισθητό στις μέτριες ενέργειες λέιζερ στη μελέτη. «Μπορείτε να φανταστείτε αν έχετε υψηλές δυνάμεις αρχίζετε να λιώνετε», λέει ο Zayats. «Η παρατήρησή του σε αυτές τις χαμηλές δυνάμεις διέγερσης ήταν ενδιαφέρον».

Οι νανοράβδοι χρυσού είναι ιδανικοί υποψήφιοι για μακροπρόθεσμη βιοαισθητήρα

Παν Γουάνγκ, ένας οπτικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Zhejiang που δεν συμμετείχε άμεσα στη μελέτη, την περιγράφει ως «πραγματικά εντυπωσιακή». "Αυτά τα αποτελέσματα έχουν μεγάλη σημασία για μια βαθύτερη θεμελιώδη κατανόηση της δυναμικής των φορέων μη ισορροπίας στα μονοκρυσταλλικά μέταλλα και παρέχουν μια χρήσιμη κατευθυντήρια γραμμή για το σχεδιασμό συσκευών θερμού φορέα υψηλής απόδοσης", λέει. Κόσμος Φυσικής. Αναφερόμενος σε πρόσφατες εργασίες που δείχνουν ότι τέτοιες μεμβράνες μπορούν να γίνουν ακόμη πιο λεπτές, προσθέτει ότι θα ήταν επίσης «πολύ ενδιαφέρον» να διερευνηθεί η δυναμική των υπερταχέων φερόντων σε μονοκρυσταλλικό χρυσό πάχους νανομέτρων.

Τα αποτελέσματα εμφανίζονται στο Nature Communications.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/monocrystalline-gold-brings-electronic-devices-near-the-efficiency-limit/