Ouro monocristalino aproxima dispositivos eletrônicos do limite de eficiência – Physics World

O ouro tem sido uma forma popular de aumentar a fotossensibilidade de dispositivos eletrônicos, como biossensores, sistemas de imagem, coletores de energia e processadores de informação. Até agora, o ouro utilizado tem sido policristalino, mas nos últimos anos vários grupos de investigação aperfeiçoaram técnicas para a produção de ouro monocristalino.

Pesquisadores liderados por Anatoly Zayats no King's College London, Reino Unido e Giulia Tagliabue na École Polytechnique Fédérale de Lausanne, na Suíça, são agora relatando que os elétrons nesses novos filmes de ouro monocristalino se comportam de maneira significativamente diferente dos elétrons no ouro policristalino. “Tivemos surpresas que não esperávamos”, conta Zayats Mundo da física. As diferenças, acrescenta, podem trazer benefícios significativos para as aplicações.

Praticidades plasmônicas

O ouro é um fotossensibilizador útil porque suporta uma resposta ressonante na qual o campo eletromagnético oscilante da luz incidente faz os elétrons balançarem para frente e para trás coletivamente. Este movimento coletivo é denominado plasmon e, à medida que a oscilação sai de fase, a energia do plasmon passa para os elétrons e para os buracos carregados positivamente no ouro. Graças a esta transferência de energia, os elétrons desenvolvem uma temperatura efetiva muito superior à temperatura de equilíbrio do material. São esses elétrons “quentes” que são tão úteis para iniciar reações químicas, sinalizar a detecção de fótons, armazenar energia e assim por diante. O principal desafio é extraí-los antes que percam energia.

Na maior parte, os filmes de ouro são produzidos por pulverização catódica do material sobre um substrato, produzindo microestruturas policristalinas. Embora os processos químicos necessários para produzir ouro monocristalino sejam conhecidos há algum tempo, Zayats salienta que “não há nada de graça neste mundo” e as compensações são acentuadas. Notavelmente, para camadas de ouro monocristalino com menos de 100 nm de espessura, as dimensões laterais máximas são de apenas alguns micrômetros, o que restringe as aplicações.

Nos últimos dois anos, no entanto, os processos químicos melhoraram a tal ponto que microflocos abrangendo centenas de micrômetros com menos de 20 nm de espessura são possíveis. Essas melhorias levaram Zayats e seus colaboradores a explorar quais vantagens elas poderiam ter para aplicações plasmônicas.

Golpe duplo

Para investigar os possíveis benefícios dos microflocos de ouro monocristalino, Zayats e seus colegas compararam versões policristalinas e monocristalinas usando pulsos de bomba e sonda espaçados apenas por femtossegundos. Esses pulsos permitiram monitorar os processos de decaimento ultrarrápido dos elétrons quentes. Eles descobriram que os elétrons permaneceram quentes por muito mais tempo nos flocos monocristalinos, enquanto nos flocos policristalinos, a presença de limites de grão levou a mais dispersão de elétrons e maior perda de energia.

Os pesquisadores também descobriram que poderiam extrair elétrons quentes com muito mais eficiência do ouro monocristalino. Como o ângulo de reflexão interna total de um elétron incidente sobre uma superfície de ouro é pequeno, a superfície do ouro policristalino é deliberadamente rugosa para aumentar as chances de um elétron atingir a superfície em um ângulo que lhe permita escapar e ser extraído. Em contraste, a superfície do ouro monocristalino era atomicamente lisa, mas a eficiência da extração de elétrons estava próxima do limite teórico de 9%. Os investigadores atribuem isto ao tempo de vida mais longo dos electrões quentes, o que significa que os electrões têm tantos mais encontros com a superfície num estado altamente energético que acabarão por escapar.

Em contraste, Zayats observa que os filmes policristalinos sofrem um duplo golpe. “A energia dos elétrons é menor e a eficiência de extração é menor”, ​​diz ele. Quando começaram as suas experiências para comparar os flocos policristalinos e monocristalinos, acrescenta ele, não estava claro se estes efeitos seriam tão impressionantes. Na verdade, alguns membros da equipe questionaram o sentido de realizar os experimentos.

Diferenças fundamentais

O estudo também revelou diferenças mais sutis. Por exemplo, os pesquisadores conseguiram detectar os efeitos da distribuição evanescente de elétrons que confunde as interfaces dos materiais, removendo os limites nítidos que aparecem em modelos simples de “brinquedo”. Esses elétrons evanescentes interagem com fônons – vibrações de rede – no material do substrato adjacente. Para filmes de ouro mais finos, esses elétrons evanescentes constituem uma proporção maior dos elétrons no filme de ouro, de modo que os elétrons em geral perdem sua energia mais rapidamente. No entanto, o inverso é o caso quando a potência do laser de excitação é aumentada porque eles são mais quentes e precisam de mais batidas com fônons para esfriar.

Os resultados indicaram adicionalmente uma mudança na estrutura da banda devido aos elétrons quentes de vida mais longa. Embora a teoria sugira que as interações mútuas entre elétrons quentes e entre elétrons quentes e átomos da rede possam levar a esse efeito, não estava claro que seria perceptível nas energias moderadas do laser no estudo. “Você pode imaginar que, se tiver poderes elevados, você começa a derreter”, diz Zayats. “Observar isso com esses baixos poderes de excitação foi interessante.”

Nanobastões de ouro são candidatos ideais para biossensor de longo prazo

Pan Wang, um engenheiro óptico da Universidade de Zhejiang que não esteve diretamente envolvido no estudo, descreve-o como “realmente impressionante”. “Esses resultados são de grande importância para uma compreensão fundamental mais profunda da dinâmica de portadores de desequilíbrio em metais monocristalinos e fornecem uma diretriz útil para projetar dispositivos de portadores quentes de alto desempenho”, diz ele. Mundo da física. Referindo-se a trabalhos recentes que mostram que tais filmes podem ser feitos ainda mais finos, ele acrescenta que também seria “muito interessante” investigar a dinâmica de portadores ultrarrápidos em ouro monocristalino com espessura nanométrica.

Os resultados aparecem em Natureza das Comunicações.

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