Монокристаллическое золото приближает эффективность электронных устройств к пределу

Золото уже давно является популярным способом повышения фоточувствительности электронных устройств, таких как биосенсоры, системы визуализации, сборщики энергии и информационные процессоры. До сих пор используемое золото было поликристаллическим, но за последние несколько лет различные исследовательские группы усовершенствовали методы производства монокристаллического золота.

Исследователи во главе с Анатолий Заяц в Королевском колледже Лондона, Великобритания, и Джулия Тальябуэ в Федеральной политехнической школе Лозанны в Швейцарии. сейчас сообщаю что электроны в этих новых пленках монокристаллического золота ведут себя существенно иначе, чем электроны в поликристаллическом золоте. «У нас были сюрпризы, которых мы не ожидали», — рассказывает Заяц. Мир физики. Эти различия, добавляет он, могут принести значительную пользу приложениям.

Плазмонные практические аспекты

Золото является полезным фотосенсибилизатором, поскольку оно поддерживает резонансный отклик, при котором колеблющееся электромагнитное поле падающего света заставляет электроны коллективно перемещаться вперед и назад. Это коллективное движение называется плазмоном, и когда колебание выходит из фазы, энергия плазмона передается электронам и положительно заряженным дыркам в золоте. Благодаря такой передаче энергии электроны приобретают эффективную температуру, намного превышающую равновесную температуру материала. Именно эти «горячие» электроны так полезны для инициирования химических реакций, сигнализации об обнаружении фотонов, накопления энергии и так далее. Основная задача — извлечь их до того, как они потеряют свою энергию.

По большей части пленки золота получают путем напыления материала на подложку, создавая поликристаллические микроструктуры. Хотя химические процессы, необходимые для выращивания монокристаллического золота, известны уже давно, Заяц отмечает, что «в этом мире нет ничего бесплатного», и компромиссы очень велики. Примечательно, что для слоев монокристаллического золота толщиной менее 100 нм максимальные поперечные размеры составляют всего несколько микрометров, что ограничивает возможности применения.

Однако за последние пару лет химические процессы улучшились до такой степени, что микрочешуйки размером в сотни микрометров и толщиной менее 20 нм возможны. Эти улучшения побудили Заятса и его сотрудников изучить, какие преимущества они могут иметь для плазмонных приложений.

Двойной удар

Чтобы исследовать возможные преимущества микрохлопьев монокристаллического золота, Заяц и его коллеги сравнили поликристаллические и монокристаллические версии, используя импульсы накачки и зондирования, разнесенные всего на фемтосекунды. Эти импульсы позволили им отслеживать сверхбыстрые процессы распада горячих электронов. Они обнаружили, что в монокристаллических чешуйках электроны оставались горячими гораздо дольше, тогда как в поликристаллических чешуйках наличие границ зерен приводило к большему рассеянию электронов и большим потерям энергии.

Исследователи также обнаружили, что они могут гораздо эффективнее извлекать горячие электроны из монокристаллического золота. Поскольку угол полного внутреннего отражения электрона, падающего на поверхность золота, невелик, поверхность поликристаллического золота намеренно придают шероховатость, чтобы увеличить вероятность того, что электрон попадет на поверхность под углом, который позволит ему уйти и быть извлеченным. Напротив, поверхность монокристаллического золота была атомно-гладкой, однако эффективность экстракции электронов была близка к теоретическому пределу в 9%. Исследователи связывают это с более длительным временем жизни горячих электронов, а это означает, что электроны так часто сталкиваются с поверхностью в высокоэнергетическом состоянии, что в конечном итоге убегают.

Напротив, Заяц отмечает, что поликристаллические пленки получают двойной удар. «Энергия электронов ниже, а эффективность экстракции ниже», — говорит он. Когда они начали эксперименты по сравнению поликристаллических и монокристаллических чешуек, добавляет он, совсем не было ясно, что эти эффекты будут настолько поразительными. Действительно, некоторые члены команды сомневались в целесообразности проведения экспериментов вообще.

Принципиальные отличия

Исследование также выявило более тонкие различия. Например, исследователям удалось обнаружить эффекты мимолетного распределения электронов, которое размывает границы раздела материалов, удаляя резкие границы, которые появляются в простых «игрушечных» моделях. Эти исчезающие электроны взаимодействуют с фононами – колебаниями решетки – в соседнем материале подложки. В более тонких пленках золота эти исчезающие электроны составляют большую долю электронов в золотой пленке, поэтому в целом электроны теряют свою энергию быстрее. Однако в случае, когда мощность возбуждающего лазера увеличивается, происходит обратное, потому что они более горячие и для охлаждения требуется больше ударов фононами.

Результаты дополнительно указали на изменение зонной структуры из-за более долгоживущих горячих электронов. Хотя теория действительно предполагает, что к этому эффекту могут привести взаимные взаимодействия между горячими электронами, а также между горячими электронами и атомами решетки, не было ясно, что это будет заметно при умеренных энергиях лазера в исследовании. «Можете себе представить, что если у вас есть большие силы, вы начинаете таять», — говорит Заяц. «Было интересно наблюдать за этим при такой низкой мощности возбуждения».

Золотые наностержни — идеальные кандидаты для долгосрочного биосенсорства

Пан Ван, инженер-оптик из Чжэцзянского университета, который не принимал непосредственного участия в исследовании, описывает его как «действительно впечатляющее». «Эти результаты имеют большое значение для более глубокого фундаментального понимания динамики неравновесных носителей заряда в монокристаллических металлах и служат полезным руководством для разработки высокопроизводительных устройств с горячими носителями», — говорит он. Мир физики. Ссылаясь на недавнюю работу, показывающую, что такие пленки можно сделать еще тоньше, он добавляет, что также было бы «очень интересно» исследовать динамику сверхбыстрых носителей заряда в монокристаллическом золоте нанометровой толщины.

Результаты появляются в Природа связи.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/monocrystalline-gold-brings-electronic-devices-near-the-efficiency-limit/