Emas monokristalin membawa perangkat elektronik mendekati batas efisiensi – Dunia Fisika

Emas monokristalin membawa perangkat elektronik mendekati batas efisiensi – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 14 Februari 2024 4:00

Render 3D serpihan emas monokristalin heksagonal dengan garis merah mewakili sinar laser yang melewatinya
Semua yang berkilauan: Spektroskopi laser pada sampel emas monokristalin dan polikristalin mengungkapkan bahwa elektron dalam sampel emas tetap “panas” lebih lama. (Sumber: Megan Grace-Hughes, King's College London)

Emas telah lama menjadi cara populer untuk meningkatkan fotosensitifitas perangkat elektronik seperti biosensor, sistem pencitraan, pemanen energi, dan pemroses informasi. Sejauh ini, emas yang digunakan adalah emas polikristalin, namun dalam beberapa tahun terakhir berbagai kelompok penelitian telah menyempurnakan teknik untuk memproduksi emas monokristalin.

Peneliti yang dipimpin oleh Anatoly Zayats di King's College London, Inggris dan Giulia Tagliabue di École Polytechnique Fédérale de Lausanne di Swiss adalah sekarang melaporkan bahwa elektron dalam film emas monokristalin baru ini berperilaku berbeda secara signifikan dari elektron dalam emas polikristalin. “Kami mendapat kejutan yang tidak kami duga,” kata Zayats Dunia Fisika. Perbedaan tersebut, tambahnya, dapat membawa manfaat yang signifikan bagi aplikasi.

Kepraktisan plasmonik

Emas merupakan fotosensitizer yang berguna karena mendukung respons resonansi di mana medan elektromagnetik yang berosilasi dari cahaya yang datang membuat elektron bergerak maju mundur secara kolektif. Gerakan kolektif ini disebut plasmon, dan ketika osilasi keluar dari fase, energi dalam plasmon berpindah ke elektron dan lubang bermuatan positif di dalam emas. Berkat transfer energi ini, elektron mengembangkan suhu efektif yang jauh lebih tinggi daripada suhu kesetimbangan material. Elektron “panas” inilah yang sangat berguna dalam memulai reaksi kimia, memberi sinyal deteksi foton, menyimpan energi, dan sebagainya. Tantangan utamanya adalah mengekstraksinya sebelum energinya hilang.

Sebagian besar, film emas diproduksi dengan menyemprotkan material ke substrat, menghasilkan struktur mikro polikristalin. Meskipun proses kimia yang diperlukan untuk menumbuhkan emas monokristalin telah diketahui sejak lama, Zayats menunjukkan bahwa “tidak ada yang gratis di dunia ini”, dan konsekuensinya sangat besar. Khususnya, untuk lapisan emas monokristalin yang tebalnya kurang dari 100 nm, dimensi lateral maksimum hanya beberapa mikrometer, sehingga membatasi penerapannya.

Namun, dalam beberapa tahun terakhir, proses kimia telah meningkat hingga mencapai titik dimana serpihan mikro berukuran ratusan mikrometer dengan ketebalan kurang dari 20 nm. mungkin. Perbaikan ini mendorong Zayats dan kolaboratornya untuk mengeksplorasi keuntungan apa yang mungkin mereka dapatkan untuk aplikasi plasmonik.

Whammy ganda

Untuk menyelidiki kemungkinan manfaat mikroflake emas monokristalin, Zayats dan rekan-rekannya membandingkan versi polikristalin dan monokristalin menggunakan pulsa pompa dan probe yang berjarak hanya femtodetik. Pulsa ini memungkinkan mereka memantau proses peluruhan elektron panas yang sangat cepat. Mereka menemukan bahwa elektron tetap panas lebih lama pada serpihan monokristalin, sedangkan pada serpihan polikristalin, adanya batas butir menyebabkan lebih banyak hamburan elektron dan kehilangan energi yang lebih besar.

Para peneliti juga menemukan bahwa mereka dapat mengekstraksi elektron panas dengan lebih efisien dari emas monokristalin. Karena sudut pantulan internal total elektron yang datang pada permukaan emas kecil, permukaan emas polikristalin sengaja dibuat kasar untuk meningkatkan kemungkinan elektron mengenai permukaan pada sudut yang memungkinkannya lepas dan terekstraksi. Sebaliknya, permukaan emas monokristalin halus secara atom, namun efisiensi ekstraksi elektron mendekati batas teoritis yaitu 9%. Para peneliti mengaitkan hal ini dengan masa hidup elektron panas yang lebih lama, yang berarti bahwa elektron lebih sering bertemu dengan permukaan dalam keadaan berenergi tinggi sehingga pada akhirnya mereka akan lepas.

Sebaliknya, Zayats mencatat bahwa film polikristalin mengalami dampak ganda. “Energi elektron lebih rendah dan efisiensi ekstraksi lebih rendah,” katanya. Ketika mereka memulai percobaan untuk membandingkan serpihan polikristalin dan monokristalin, tambahnya, sama sekali tidak jelas apakah efeknya akan begitu mencolok. Memang benar, beberapa anggota tim mempertanyakan tujuan dari melakukan eksperimen tersebut.

Perbedaan mendasar

Studi ini juga mengungkapkan perbedaan yang lebih berbeda. Misalnya, para peneliti mampu mendeteksi efek distribusi elektron yang mengaburkan antarmuka material, menghilangkan batas tajam yang muncul dalam model “mainan” sederhana. Elektron cepat berlalu dr ingatan ini berinteraksi dengan fonon – getaran kisi – pada bahan substrat yang berdekatan. Untuk lapisan emas yang lebih tipis, elektron-elektron yang cepat hilang ini membentuk proporsi elektron yang lebih besar dalam lapisan emas, sehingga elektron secara keseluruhan kehilangan energinya lebih cepat. Namun, hal sebaliknya terjadi ketika daya laser eksitasi ditingkatkan karena lebih panas dan memerlukan lebih banyak ketukan dengan fonon untuk mendinginkannya.

Hasilnya juga menunjukkan perubahan struktur pita karena elektron panas berumur lebih panjang. Meskipun teori menyatakan bahwa interaksi timbal balik antara elektron panas dan antara elektron panas dan atom kisi mungkin menyebabkan efek ini, masih belum jelas bahwa hal ini akan terlihat pada energi laser moderat dalam penelitian ini. “Bisa dibayangkan jika Anda memiliki kekuatan tinggi, Anda akan mulai meleleh,” kata Zayats. “Mengamatinya pada kekuatan eksitasi rendah ini, sungguh menarik.”

Pan Wang, seorang insinyur optik di Universitas Zhejiang yang tidak terlibat langsung dalam penelitian ini, menggambarkannya sebagai “sangat mengesankan”. “Hasil ini sangat penting untuk pemahaman mendasar yang lebih dalam tentang dinamika pembawa non-ekuilibrium dalam logam monokristalin dan memberikan pedoman yang berguna untuk merancang perangkat pembawa panas berkinerja tinggi,” katanya. Dunia Fisika. Mengacu pada penelitian terbaru yang menunjukkan bahwa film semacam itu dapat dibuat lebih tipis lagi, ia menambahkan bahwa akan menjadi “sangat menarik” untuk menyelidiki dinamika pembawa ultracepat dalam emas monokristalin setebal nanometer.

Hasilnya muncul di Alam Komunikasi.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika