L’oro monocristallino porta i dispositivi elettronici vicino al limite di efficienza – Physics World

L’oro è stato a lungo un modo popolare per migliorare la fotosensibilità di dispositivi elettronici come biosensori, sistemi di imaging, raccoglitori di energia ed elaboratori di informazioni. Finora l'oro utilizzato è stato policristallino, ma negli ultimi anni diversi gruppi di ricerca hanno messo a punto tecniche per produrre oro monocristallino.

I ricercatori guidati da Anatoly Zayats al King's College di Londra, Regno Unito e Giulia Tagliabue presso l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Svizzera ora segnalando che gli elettroni in questi nuovi film d'oro monocristallino si comportano in modo significativamente diverso dagli elettroni nell'oro policristallino. "Abbiamo avuto sorprese che non ci aspettavamo", racconta Zayats Mondo della fisica. Le differenze, aggiunge, potrebbero portare vantaggi significativi per le applicazioni.

Aspetti pratici plasmonici

L'oro è un utile fotosensibilizzatore perché supporta una risposta risonante in cui il campo elettromagnetico oscillante della luce incidente fa sì che gli elettroni si muovano avanti e indietro collettivamente. Questo movimento collettivo è chiamato plasmone e, quando l'oscillazione esce fuori fase, l'energia nel plasmone passa agli elettroni e alle lacune caricate positivamente nell'oro. Grazie a questo trasferimento di energia, gli elettroni sviluppano una temperatura effettiva molto più elevata della temperatura di equilibrio del materiale. Sono questi elettroni “caldi” che sono così utili per avviare reazioni chimiche, segnalare il rilevamento di fotoni, immagazzinare energia e così via. La sfida principale è estrarli prima che perdano la loro energia.

Per la maggior parte, le pellicole d'oro vengono prodotte spruzzando il materiale su un substrato, producendo microstrutture policristalline. Sebbene i processi chimici necessari per coltivare l’oro monocristallino siano noti da tempo, Zayats sottolinea che “non c’è nulla di gratis in questo mondo” e i compromessi sono ripidi. In particolare, per gli strati di oro monocristallino di spessore inferiore a 100 nm, le dimensioni laterali massime sono di pochi micrometri, il che limita le applicazioni.

Negli ultimi due anni, tuttavia, i processi chimici sono migliorati al punto che microscaglie che si estendono per centinaia di micrometri con uno spessore inferiore a 20 nm sono possibili. Questi miglioramenti hanno spinto Zayats e i suoi collaboratori a esplorare quali vantaggi potrebbero avere per le applicazioni plasmoniche.

Doppio colpo

Per studiare i possibili benefici dei microscaglie d’oro monocristallino, Zayats e i suoi colleghi hanno confrontato le versioni policristallina e monocristallina utilizzando impulsi di pompa e sonda distanziati di soli femtosecondi. Questi impulsi hanno permesso loro di monitorare i processi di decadimento ultraveloce degli elettroni caldi. Hanno scoperto che gli elettroni rimanevano caldi molto più a lungo nei fiocchi monocristallini, mentre nei fiocchi policristallini la presenza di bordi di grano portava a una maggiore dispersione di elettroni e a una maggiore perdita di energia.

I ricercatori hanno anche scoperto che potevano estrarre gli elettroni caldi in modo molto più efficiente dall’oro monocristallino. Poiché l'angolo di riflessione interna totale di un elettrone incidente su una superficie d'oro è piccolo, la superficie dell'oro policristallino viene deliberatamente irruvidita per aumentare le possibilità che un elettrone colpisca la superficie con un angolo che gli consenta di sfuggire ed essere estratto. Al contrario, la superficie dell’oro monocristallino era atomicamente liscia, ma l’efficienza di estrazione degli elettroni era vicina al limite teorico del 9%. I ricercatori attribuiscono questo alla maggiore durata della vita degli elettroni caldi, il che significa che gli elettroni hanno così tanti incontri in più con la superficie in uno stato altamente energetico che alla fine sfuggiranno.

Al contrario, Zayats nota che i film policristallini subiscono un doppio successo. "L'energia degli elettroni è inferiore e l'efficienza di estrazione è inferiore", afferma. Quando iniziarono gli esperimenti per confrontare i fiocchi policristallini e monocristallini, aggiunge, non era del tutto chiaro che questi effetti sarebbero stati così sorprendenti. In effetti, alcuni membri del team hanno messo in dubbio l’utilità di effettuare gli esperimenti.

Differenze fondamentali

Lo studio ha anche rivelato differenze più sfumate. Ad esempio, i ricercatori sono stati in grado di rilevare gli effetti della distribuzione evanescente degli elettroni che offusca le interfacce dei materiali, rimuovendo i confini netti che appaiono nei semplici modelli “giocattolo”. Questi elettroni evanescenti interagiscono con i fononi – vibrazioni del reticolo – nel materiale del substrato adiacente. Per le pellicole d'oro più sottili questi elettroni evanescenti costituiscono una percentuale maggiore degli elettroni nella pellicola d'oro, quindi gli elettroni nel complesso perdono la loro energia più velocemente. Tuttavia, accade il contrario quando la potenza dei laser di eccitazione viene aumentata perché sono più caldi e richiedono più colpi con i fononi per raffreddarsi.

I risultati hanno inoltre indicato un cambiamento nella struttura delle bande dovuto agli elettroni caldi con una vita più lunga. Sebbene la teoria suggerisca che le interazioni reciproche tra gli elettroni caldi e tra gli elettroni caldi e gli atomi del reticolo potrebbero portare a questo effetto, non era chiaro che sarebbe stato evidente alle energie laser moderate nello studio. "Puoi immaginare che se hai poteri elevati inizi a scioglierti", dice Zayats. "Osservarlo a queste basse potenze di eccitazione è stato interessante."

I nanotubi d'oro sono candidati ideali per il biosensing a lungo termine

Pan Wang, un ingegnere ottico dell'Università di Zhejiang che non è stato direttamente coinvolto nello studio, lo descrive come “davvero impressionante”. "Questi risultati sono di grande importanza per una comprensione fondamentale più profonda delle dinamiche dei portatori di calore non in equilibrio nei metalli monocristallini e forniscono una linea guida utile per la progettazione di dispositivi di trasporto del calore ad alte prestazioni", spiega. Mondo della fisica. Riferendosi a lavori recenti che dimostrano che tali film possono essere resi ancora più sottili, aggiunge che sarebbe anche “molto interessante” studiare la dinamica dei portatori ultraveloci nell’oro monocristallino di spessore nanometrico.

I risultati appaiono in Nature Communications.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/monocrystalline-gold-brings-electronic-devices-near-the-efficiency-limit/