Aurul monocristalin aduce dispozitivele electronice aproape de limita de eficiență – Physics World

Aurul a fost mult timp o modalitate populară de îmbunătățire a fotosensibilității dispozitivelor electronice, cum ar fi biosenzorii, sistemele de imagistică, colectoarele de energie și procesoarele de informații. Până acum, aurul folosit a fost policristalin, dar în ultimii ani diferite grupuri de cercetare au perfecţionat tehnici de producere a aurului monocristalin.

Cercetătorii conduși de Anatoly Zayats la King's College din Londra, Marea Britanie și Giulia Tagliabue la École Polytechnique Fédérale de Lausanne din Elveţia sunt acum raportând că electronii din aceste noi filme de aur monocristalin se comportă semnificativ diferit de electronii din aurul policristalin. „Am avut surprize la care nu ne așteptam”, spune Zayats Lumea fizicii. Diferențele, adaugă el, ar putea aduce beneficii semnificative pentru aplicații.

Practici plasmonice

Aurul este un fotosensibilizator util, deoarece susține un răspuns rezonant în care câmpul electromagnetic oscilant al luminii incidente face ca electronii să zboare înainte și înapoi colectiv. Această mișcare colectivă este numită plasmon și, pe măsură ce oscilația iese din faza, energia din plasmon trece către electroni și găurile încărcate pozitiv din aur. Datorită acestui transfer de energie, electronii dezvoltă o temperatură efectivă mult mai mare decât temperatura de echilibru a materialului. Acești electroni „fierbinți” sunt atât de utili la inițierea reacțiilor chimice, la semnalizarea detectării fotonilor, la păstrarea energiei și așa mai departe. Principala provocare este să le extragi înainte să-și piardă energia.

În cea mai mare parte, filmele de aur sunt produse prin pulverizarea materialului pe un substrat, producând microstructuri policristaline. Deși procesele chimice necesare creșterii aurului monocristalin sunt cunoscute de ceva timp, Zayats subliniază că „nu există nimic gratuit în această lume”, iar compromisurile sunt abrupte. În special, pentru straturile de aur monocristalin cu grosimea mai mică de 100 nm, dimensiunile laterale maxime sunt de doar câțiva micrometri, ceea ce limitează aplicațiile.

Cu toate acestea, în ultimii doi ani, procesele chimice s-au îmbunătățit până la punctul în care microfulgi care se întind pe sute de micrometri cu o grosime mai mică de 20 nm sunt posibile. Aceste îmbunătățiri l-au determinat pe Zayats și colaboratorii săi să exploreze ce avantaje ar putea avea pentru aplicațiile plasmonice.

Dublu rău

Pentru a investiga posibilele beneficii ale microfulgilor de aur monocristalin, Zayats și colegii săi au comparat versiunile policristaline și monocristaline folosind impulsuri de pompă și sondă distanțate la doar femtosecunde. Aceste impulsuri le-au permis să monitorizeze procesele de dezintegrare ultrarapidă a electronilor fierbinți. Ei au descoperit că electronii au rămas fierbinți mult mai mult în fulgii monocristalini, în timp ce în fulgii policristalini, prezența granițelor a dus la o mai mare împrăștiere a electronilor și o pierdere mai mare de energie.

De asemenea, cercetătorii au descoperit că ar putea extrage electroni fierbinți mult mai eficient din aurul monocristalin. Deoarece unghiul de reflexie internă totală a unui electron incident pe o suprafață de aur este mic, suprafața aurului policristalin este rugoasă în mod deliberat pentru a crește șansele ca un electron să lovească suprafața la un unghi care îi permite să scape și să fie extras. În contrast, suprafața aurului monocristalin era netedă din punct de vedere atomic, totuși eficiența extracției electronilor era aproape de limita teoretică de 9%. Cercetătorii atribuie acest lucru duratei de viață mai lungi a electronilor fierbinți, ceea ce înseamnă că electronii au atât de multe întâlniri cu suprafața într-o stare foarte energetică încât vor scăpa în cele din urmă.

În schimb, Zayats observă că filmele policristaline au o lovitură dublă. „Energia electronilor este mai mică, iar eficiența extracției este mai mică”, spune el. Când și-au început experimentele pentru a compara fulgii policristalini și monocristalini, adaugă el, nu era deloc clar că aceste efecte ar fi atât de izbitoare. Într-adevăr, o parte din echipă au pus sub semnul întrebării scopul realizării experimentelor.

Diferențele fundamentale

De asemenea, studiul a relevat diferențe mai nuanțate. De exemplu, cercetătorii au reușit să detecteze efectele distribuției evanescente a electronilor care estompează interfețele materialelor, eliminând granițele ascuțite care apar în modelele simple de „jucării”. Acești electroni evanescenți interacționează cu fononii – vibrațiile rețelei – din materialul substrat adiacent. Pentru filmele de aur mai subțiri, acești electroni evanescenți formează o proporție mai mare din electronii din filmul de aur, astfel încât electronii în general își pierd energia mai repede. Cu toate acestea, invers este cazul când puterea laserului de excitație crește, deoarece acestea sunt mai fierbinți și necesită mai multă ciocănire cu fononii pentru a se răci.

Rezultatele au indicat în plus o schimbare a structurii benzii din cauza electronilor fierbinți cu viață mai lungă. Deși teoria sugerează că interacțiunile reciproce dintre electronii fierbinți și între electronii fierbinți și atomii de rețea ar putea duce la acest efect, nu era clar că ar fi vizibil la energiile laser moderate din studiu. „Îți poți imagina că dacă ai puteri mari începi să te topești”, spune Zayats. „Pentru a-l observa la aceste puteri de excitație scăzute, a fost interesant.”

Nanorodurile de aur sunt candidații ideali pentru biodetecția pe termen lung

Pan Wang, un inginer optic la Universitatea Zhejiang care nu a fost implicat direct în studiu, îl descrie ca fiind „cu adevărat impresionant”. „Aceste rezultate sunt de mare importanță pentru o înțelegere fundamentală mai profundă a dinamicii purtătorilor de neechilibru în metalele monocristaline și oferă un ghid util pentru proiectarea dispozitivelor de înaltă performanță cu purtători fierbinți”, spune el. Lumea fizicii. Referindu-se la lucrările recente care arată că astfel de filme pot fi făcute și mai subțiri, el adaugă că ar fi, de asemenea, „foarte interesant” să se investigheze dinamica purtătorului ultrarapid în aur monocristalin cu grosimea nanometrică.

Rezultatele apar în Natura Comunicaţii.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/monocrystalline-gold-brings-electronic-devices-near-the-efficiency-limit/