Złoto monokrystaliczne zbliża urządzenia elektroniczne do granicy wydajności – Świat Fizyki

Złoto od dawna jest popularnym sposobem zwiększania światłoczułości urządzeń elektronicznych, takich jak biosensory, systemy obrazowania, urządzenia do pozyskiwania energii i procesory informacji. Do tej pory stosowano złoto polikrystaliczne, ale w ciągu ostatnich kilku lat różne grupy badawcze udoskonaliły techniki wytwarzania złota monokrystalicznego.

Naukowcy prowadzeni przez Anatolij Zajat w King's College w Londynie w Wielkiej Brytanii i Giulii Tagliabue w École Polytechnique Fédérale de Lausanne w Szwajcarii teraz zgłaszam że elektrony w tych nowych warstwach złota monokrystalicznego zachowują się znacząco inaczej niż elektrony w złocie polikrystalicznym. „Mieliśmy niespodzianki, których się nie spodziewaliśmy” – mówi Zayats Świat Fizyki. Dodaje, że różnice mogą przynieść znaczne korzyści w zakresie zastosowań.

Praktyczność plazmoniczna

Złoto jest użytecznym fotosensybilizatorem, ponieważ wspomaga reakcję rezonansową, w której oscylujące pole elektromagnetyczne padającego światła powoduje zbiorowe przemieszczanie elektronów tam i z powrotem. Ten zbiorowy ruch nazywany jest plazmonem, a gdy oscylacja wychodzi z fazy, energia w plazmonie przechodzi na elektrony i dodatnio naładowane dziury w złocie. Dzięki temu transferowi energii elektrony osiągają efektywną temperaturę znacznie wyższą od temperatury równowagi materiału. To właśnie te „gorące” elektrony są tak przydatne w inicjowaniu reakcji chemicznych, sygnalizowaniu wykrycia fotonów, magazynowaniu energii i tak dalej. Głównym wyzwaniem jest wydobycie ich, zanim stracą energię.

W przeważającej części złote warstwy wytwarza się poprzez napylanie materiału na podłoże, tworząc mikrostruktury polikrystaliczne. Chociaż procesy chemiczne wymagane do wyhodowania monokrystalicznego złota są znane od jakiegoś czasu, Zayats podkreśla, że ​​„na tym świecie nie ma nic za darmo”, a kompromisy są ogromne. Warto zauważyć, że w przypadku warstw złota monokrystalicznego o grubości mniejszej niż 100 nm maksymalne wymiary boczne wynoszą zaledwie kilka mikrometrów, co ogranicza zastosowania.

Jednakże w ciągu ostatnich kilku lat procesy chemiczne uległy poprawie do tego stopnia, że ​​mikropłatki o rozmiarach setek mikrometrów i grubości mniejszej niż 20 nm możliwe są. Te ulepszenia skłoniły Zayatsa i jego współpracowników do zbadania, jakie korzyści mogą mieć w zastosowaniach plazmonicznych.

Podwójne whammy

Aby zbadać możliwe zalety monokrystalicznych mikropłatków złota, Zayats i jego współpracownicy porównali wersje polikrystaliczne i monokrystaliczne, używając impulsów pompy i sondy oddalonych od siebie o zaledwie femtosekundy. Impulsy te umożliwiły im monitorowanie ultraszybkich procesów rozpadu gorących elektronów. Odkryli, że w płatkach monokrystalicznych elektrony pozostawały gorące znacznie dłużej, podczas gdy w płatkach polikrystalicznych obecność granic ziaren prowadziła do większego rozpraszania elektronów i większej utraty energii.

Naukowcy odkryli również, że mogą znacznie efektywniej wyodrębniać gorące elektrony z monokrystalicznego złota. Ponieważ kąt całkowitego wewnętrznego odbicia elektronu padającego na powierzchnię złota jest mały, powierzchnia złota polikrystalicznego jest celowo szorstka, aby zwiększyć ryzyko, że elektron uderzy w powierzchnię pod kątem umożliwiającym mu ucieczkę i wydobycie. Natomiast powierzchnia złota monokrystalicznego była atomowo gładka, choć skuteczność ekstrakcji elektronów była bliska teoretycznej granicy 9%. Naukowcy przypisują to dłuższemu czasowi życia gorących elektronów, co oznacza, że ​​elektrony mają o wiele więcej spotkań z powierzchnią w stanie wysoce energetycznym, że w końcu uciekają.

Z kolei Zayats zauważa, że ​​folie polikrystaliczne otrzymują podwójne uderzenie. „Energia elektronów jest niższa, a wydajność ekstrakcji niższa” – mówi. Kiedy rozpoczęli eksperymenty mające na celu porównanie płatków polikrystalicznych i monokrystalicznych, dodaje, nie było wcale jasne, że efekty te będą tak uderzające. Rzeczywiście, część zespołu w ogóle kwestionowała sens przeprowadzania eksperymentów.

Podstawowe różnice

Badanie ujawniło także bardziej szczegółowe różnice. Naukowcom udało się na przykład wykryć skutki zanikającego rozkładu elektronów, który zaciera granice między materiałami, usuwając ostre granice pojawiające się w prostych modelach „zabawkowych”. Te zanikające elektrony oddziałują z fononami – drganiami sieci – w sąsiednim materiale podłoża. W przypadku cieńszych warstw złota te zanikające elektrony stanowią większą część elektronów w warstwie złota, więc elektrony ogólnie szybciej tracą energię. Jednak sytuacja jest odwrotna, gdy moc lasera wzbudzenia wzrasta, ponieważ są one gorętsze i wymagają więcej uderzania fononami w celu ochłodzenia.

Wyniki dodatkowo wskazały zmianę w strukturze pasma ze względu na dłuższą żywotność gorących elektronów. Chociaż teoria sugeruje, że wzajemne interakcje między gorącymi elektronami oraz między gorącymi elektronami i atomami sieci mogą prowadzić do takiego efektu, nie było jasne, że będzie to zauważalne przy umiarkowanych energiach lasera objętych badaniem. „Możesz sobie wyobrazić, że jeśli masz duże moce, zaczynasz się topić” – mówi Zayats. „Obserwowanie tego przy tak niskich mocach wzbudzenia było interesujące”.

Złote nanopręty są idealnymi kandydatami do długoterminowej bioczujności

Pana Wanga, inżynier optyczny z Uniwersytetu Zhejiang, który nie był bezpośrednio zaangażowany w badania, opisuje je jako „naprawdę imponujące”. „Wyniki te mają ogromne znaczenie dla głębszego, fundamentalnego zrozumienia dynamiki nierównowagowego nośnika w metalach monokrystalicznych i stanowią użyteczną wskazówkę przy projektowaniu wysokowydajnych urządzeń z gorącym nośnikiem” – mówi Świat Fizyki. Odnosząc się do niedawnych prac pokazujących, że takie folie mogą być jeszcze cieńsze, dodaje, że „bardzo interesujące” byłoby również zbadanie ultraszybkiej dynamiki nośnika w monokrystalicznym złocie o grubości nanometrów.

Wyniki pojawią się w Nature Communications.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/monocrystalline-gold-brings-electronic-devices-near-the-efficiency-limit/