זהב חד-גבישי מביא מכשירים אלקטרוניים קרוב לגבול היעילות - עולם הפיזיקה

זהב הוא כבר זמן רב דרך פופולרית להגביר את הרגישות לאור של מכשירים אלקטרוניים כגון חיישנים ביולוגיים, מערכות הדמיה, אוספי אנרגיה ומעבדי מידע. עד כה, הזהב בשימוש היה רב גבישי, אך בשנים האחרונות קבוצות מחקר שונות חידשו טכניקות להפקת זהב חד גבישי.

חוקרים בראשות אנטולי זייאטס בקינגס קולג' בלונדון, בריטניה ו ג'וליה טגליאבה ב-École Polytechnique Fédérale de Lausanne בשוויץ נמצאים מדווח כעת שהאלקטרונים בסרטי הזהב החד-גבישיים החדשים הללו מתנהגים בצורה שונה משמעותית מאלקטרונים בזהב רב-גבישי. "היו לנו הפתעות שלא ציפינו להן", מספר זייאטס עולם הפיזיקה. ההבדלים, הוא מוסיף, יכולים להביא יתרונות משמעותיים עבור יישומים.

פרקטיות פלסמונית

זהב יוצר גורם רגיש לפוטו כיוון שהוא תומך בתגובת תהודה שבה השדה האלקטרומגנטי המתנודד של האור הנכנס גורם לאלקטרונים להתרסק קדימה ואחורה באופן קולקטיבי. תנועה קולקטיבית זו מכונה פלסמון, וכשהתנודה יוצאת מפאזה, האנרגיה בפלסמון עוברת לאלקטרונים ולחורים בעלי מטען חיובי בזהב. הודות להעברת אנרגיה זו, האלקטרונים מפתחים טמפרטורה יעילה הגבוהה בהרבה מטמפרטורת שיווי המשקל של החומר. האלקטרונים ה"חמים" האלה הם כל כך שימושיים בהפעלת תגובות כימיות, איתות זיהוי פוטון, החסנת אנרגיה וכן הלאה. האתגר העיקרי הוא לחלץ אותם לפני שהם מאבדים את האנרגיה שלהם.

לרוב, סרטי זהב מיוצרים על ידי התזת החומר על גבי מצע, יצירת מבנים מיקרו-גבישיים. למרות שהתהליכים הכימיים הנדרשים לגידול זהב חד-גביש ידועים כבר זמן מה, זייאטס מציין ש"אין שום דבר בחינם בעולם הזה", וההחלטים הם תלולים. יש לציין, עבור שכבות זהב חד-גבישיות בעובי של פחות מ-100 ננומטר, הממדים הרוחביים המקסימליים הם רק כמה מיקרומטרים, מה שמגביל יישומים.

עם זאת, בשנתיים האחרונות השתפרו תהליכים כימיים עד כדי כך שמיקרו פתיתים המשתרעים על פני מאות מיקרומטרים בעובי של פחות מ-20 ננומטר. אפשריים. שיפורים אלה הניעו את זייאטס ומשתפי הפעולה שלו לחקור אילו יתרונות עשויים להיות להם עבור יישומים פלסמוניים.

וומיום כפול

כדי לחקור את היתרונות האפשריים של פתיתי זהב חד-גבישיים, זייאטס ועמיתיו השוו גרסאות רב-גבישיות וחד-גבישיות באמצעות פולסי משאבה ובדיקה המרוחקים רק פמט-שניות זה מזה. פולסים אלה אפשרו להם לנטר את תהליכי ההתפרקות האולטרה-מהירים של האלקטרונים החמים. הם גילו שהאלקטרונים נשארו חמים הרבה יותר זמן בפתיתים החד-גבישיים, ואילו בפתיתים הרב-גבישיים, נוכחותם של גבולות גרגרים הובילה לפיזור אלקטרונים רב יותר ולאיבוד אנרגיה גדול יותר.

החוקרים גם גילו שהם יכולים לחלץ אלקטרונים חמים ביעילות רבה יותר מזהב חד גבישי. מכיוון שהזווית של השתקפות פנימית מוחלטת של אלקטרון שנכנס למשטח זהב קטנה, פני השטח של זהב רב-גבישי מחוספסים בכוונה כדי להגדיל את הסיכוי שאלקטרון יפגע במשטח בזווית המאפשרת לו לברוח ולהיחלץ. לעומת זאת, פני השטח של הזהב החד-גבישי היו חלקים מבחינה אטומית, אך היעילות של מיצוי האלקטרונים הייתה קרובה לגבול התיאורטי של 9%. החוקרים מייחסים זאת לחיי האלקטרונים החמים הארוכים יותר, מה שאומר שלאלקטרונים יש כל כך הרבה יותר מפגשים עם פני השטח במצב אנרגטי מאוד, עד שהם יברחו בסופו של דבר.

לעומת זאת, זייאטס מציין שסרטים רב גבישיים חוטפים מכה כפולה. "האנרגיה של האלקטרונים נמוכה יותר ויעילות המיצוי נמוכה יותר", הוא אומר. כשהחלו בניסויים שלהם להשוות בין הפתיתים הפולי-גבישיים והחד-גבישים, הוא מוסיף, לא היה ברור כלל שההשפעות הללו יהיו כה בולטות. ואכן, חלק מהצוות הטיל ספק בעניין ביצוע הניסויים בכלל.

הבדלים מהותיים

המחקר גם חשף הבדלים ניואנסים יותר. לדוגמה, החוקרים הצליחו לזהות את ההשפעות של התפלגות האלקטרונים המטשטשת את ממשקי החומרים, תוך הסרת הגבולות החדים המופיעים במודלים פשוטים של "צעצוע". אלקטרונים נעלמים אלה מקיימים אינטראקציה עם פונונים - תנודות סריג - בחומר המצע הסמוך. עבור סרטי זהב דקים יותר, האלקטרונים הנעלמים הללו מהווים חלק גדול יותר מהאלקטרונים בסרט הזהב, כך שהאלקטרונים בסך הכל מאבדים את האנרגיה שלהם מהר יותר. עם זאת, ההפך הוא המקרה כאשר עוצמת הלייזר המעורר מוגברת מכיוון שהם חמים יותר וצריכים להסתובב יותר עם פונונים כדי להתקרר.

התוצאות הצביעו בנוסף על שינוי במבנה הלהקה עקב האלקטרונים החמים הארוכים יותר. למרות שהתיאוריה אכן מציעה שאינטראקציות הדדיות בין אלקטרונים חמים ובין אלקטרונים חמים ואטומי סריג עשויים להוביל להשפעה זו, לא היה ברור שזה יהיה מורגש באנרגיות הלייזר המתונות במחקר. "אתה יכול לדמיין שאם יש לך כוחות גבוהים אתה מתחיל להתמוסס", אומר זייאטס. "להתבונן בזה בכוחות הגירוי הנמוכים האלה, זה היה מעניין."

ננו-יד זהב הם מועמדים אידיאליים לחישה ביולוגית לטווח ארוך

פאן וואנג, מהנדס אופטי באוניברסיטת ג'ג'יאנג שלא היה מעורב ישירות במחקר, מתאר אותו כ"מרשים באמת". "לתוצאות אלה יש חשיבות רבה להבנה בסיסית עמוקה יותר של דינמיקת נושאים לא-שיווי משקל במתכות חד-גבישיות ומספקות קו מנחה שימושי לתכנון התקני נשא חמים בעלי ביצועים גבוהים", הוא אומר. עולם הפיזיקה. בהתייחס לעבודות האחרונות שהראו שניתן להפוך סרטים כאלה לדקים עוד יותר, הוא מוסיף שזה יהיה גם "מעניין מאוד" לחקור דינמיקה של נושאים מהירים במיוחד בזהב חד גבישי בעובי ננומטר.

התוצאות מופיעות ב תקשורת טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/monocrystalline-gold-brings-electronic-devices-near-the-efficiency-limit/