Monokristalliline kuld viib elektroonikaseadmed efektiivsuse piiri – Physics World – lähedale

Kuld on pikka aega olnud populaarne viis elektrooniliste seadmete, näiteks biosensorite, pildisüsteemide, energiakogurite ja teabeprotsessorite valgustundlikkuse suurendamiseks. Seni on kasutatud polükristallilist kulda, kuid viimastel aastatel on erinevad uurimisrühmad viimistlenud tehnikaid monokristallilise kulla tootmiseks.

Teadlased eesotsas Anatoli Zayats King's College'is Londonis, Ühendkuningriigis ja Giulia Tagliabue Šveitsis École Polytechnique Fédérale de Lausanne'is nüüd aru andmas et elektronid nendes uutes monokristallilistes kullakiledes käituvad oluliselt erinevalt polükristallilise kulla elektronidest. "Meil oli üllatusi, mida me ei oodanud," räägib Zayats Füüsika maailm. Ta lisab, et erinevused võivad rakendustele märkimisväärset kasu tuua.

Plasmoonilised praktilised omadused

Kuld on kasulik fotosensibilisaator, kuna see toetab resonantsreaktsiooni, mille käigus langeva valguse võnkuv elektromagnetväli paneb elektronid kollektiivselt edasi-tagasi loksuma. Seda kollektiivset liikumist nimetatakse plasmoniks ja kui võnkumine väljub faasist, läheb plasmonis olev energia edasi elektronidesse ja positiivselt laetud aukudesse kullas. Tänu sellele energiaülekandele arendavad elektronid efektiivse temperatuuri, mis on palju kõrgem kui materjali tasakaalutemperatuur. Just need "kuumad" elektronid on nii kasulikud keemiliste reaktsioonide käivitamisel, footonite tuvastamisel, energia salvestamisel ja nii edasi. Peamine väljakutse on need välja tõmmata enne, kui nad oma energia kaotavad.

Enamasti toodetakse kuldkilesid materjali pihustamisega substraadile, tekitades polükristallilisi mikrostruktuure. Kuigi monokristallilise kulla kasvatamiseks vajalikud keemilised protsessid on tuntud juba mõnda aega, märgib Zayats, et "selles maailmas pole midagi tasuta" ja kompromissid on järsud. Eelkõige on alla 100 nm paksuste monokristalliliste kullakihtide maksimaalsed külgmised mõõtmed vaid mõni mikromeeter, mis piirab rakendusi.

Viimase paari aasta jooksul on aga keemilised protsessid paranenud nii kaugele, et sadade mikromeetrite pikkused mikrohelbed on paksusega alla 20 nm. on võimalikud. Need täiustused ajendasid Zayatsi ja tema kaastöötajaid uurima, millised eelised neil plasmoonsete rakenduste jaoks võiksid olla.

Topeltpeksmine

Monokristallilise kulla mikrohelveste võimalike eeliste uurimiseks võrdlesid Zayats ja tema kolleegid polükristallilisi ja monokristallilisi versioone, kasutades pumba ja sondi impulsse, mis olid üksteisest vaid femtosekundite kaugusel. Need impulsid võimaldasid neil jälgida kuumade elektronide ülikiireid lagunemisprotsesse. Nad leidsid, et monokristallilistes helvestes püsisid elektronid palju kauem kuumad, samas kui polükristallilistes helvestes põhjustas terade piiride olemasolu rohkem elektronide hajumist ja suuremat energiakadu.

Samuti leidsid teadlased, et nad suudavad monokristallilisest kullast kuumi elektrone palju tõhusamalt eraldada. Kuna kulla pinnale langeva elektroni täieliku sisepeegelduse nurk on väike, karestatakse polükristallilise kulla pind tahtlikult, et suurendada tõenäosust, et elektron tabab pinda nurga all, mis võimaldab sellel välja pääseda ja välja tõmmata. Seevastu monokristallilise kulla pind oli aatomiliselt sile, kuid elektronide ekstraheerimise efektiivsus oli 9% teoreetilise piiri lähedal. Teadlased omistavad selle kuumade elektronide pikemale elueale, mis tähendab, et elektronidel on nii palju rohkem kokkupuuteid ülimalt energeetilises olekus oleva pinnaga, et nad lõpuks põgenevad.

Seevastu Zayats märgib, et polükristallilised filmid saavad topeltlöögi. "Elektronite energia on madalam ja ekstraheerimise efektiivsus madalam, " ütleb ta. Kui nad alustasid katseid polükristalliliste ja monokristalliliste helveste võrdlemiseks, lisab ta, et polnud üldse selge, kas need mõjud on nii silmatorkavad. Tõepoolest, mõned meeskonnast seadsid kahtluse alla katsete läbiviimise mõtte.

Põhilised erinevused

Uuring paljastas ka nüansirikkamaid erinevusi. Näiteks suutsid teadlased tuvastada elektronide kaduva jaotuse mõju, mis hägustab materjalide liideseid, eemaldades teravad piirid, mis ilmnevad lihtsates "mänguasjade" mudelites. Need kaduvad elektronid interakteeruvad külgneva substraadi materjalis olevate fononitega - võre vibratsiooniga. Õhemate kuldkilede puhul moodustavad need kaduvad elektronid suurema osa kuldkile elektronidest, nii et elektronid üldiselt kaotavad oma energia kiiremini. Kuid olukord on vastupidine, kui ergutuslaseri võimsust suurendatakse, kuna need on kuumemad ja jahtumiseks kulub rohkem fonoonidega koputamist.

Lisaks näitasid tulemused riba struktuuri muutust pikema elueaga kuumade elektronide tõttu. Kuigi teooria viitab sellele, et kuumade elektronide ning kuumade elektronide ja võreaatomite vastastikused interaktsioonid võivad selle efekti viia, ei olnud selge, et see oleks uuringus mõõdukate laserenergiate puhul märgatav. "Võite ette kujutada, et kui teil on suured jõud, hakkate sulama," ütleb Zayats. "See oli huvitav jälgida seda nende madalate erutusvõimsuste juures."

Kuldsed nanovardad on ideaalsed kandidaadid pikaajaliseks biosenseerimiseks

Pan Wang, Zhejiangi ülikooli optikainsener, kes ei osalenud otseselt uuringus, kirjeldab seda kui "tõeliselt muljetavaldavat". "Need tulemused on väga olulised monokristalliliste metallide mittetasakaalukandjate dünaamika sügavamaks mõistmiseks ja annavad kasuliku juhise suure jõudlusega kuumakanduriseadmete kavandamiseks, " ütleb ta. Füüsika maailm. Viidates hiljutistele töödele, mis näitavad, et selliseid kilesid saab veelgi õhemaks muuta, lisab ta, et nanomeetri paksuse monokristallilise kulla ülikiire kandja dünaamika uurimine oleks samuti "väga huvitav".

Tulemused ilmuvad Nature Communications.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/monocrystalline-gold-brings-electronic-devices-near-the-efficiency-limit/