Monokristallint guld för elektroniska enheter nära effektivitetsgränsen – Physics World

Monokristallint guld för elektroniska enheter nära effektivitetsgränsen – Physics World

Tidsstämpel: 14 februari 2024 4:00

En 3D-rendering av en hexagonal flinga av monokristallint guld med röda linjer som representerar laserstrålar som passerar genom den
Allt som glittrar: Laserspektroskopi av monokristallina och polykristallina guldprover visade att elektronerna i de förstnämnda förblir "heta" mycket längre. (Med tillstånd: Megan Grace-Hughes, King's College London)

Guld har länge varit ett populärt sätt att förbättra ljuskänsligheten hos elektroniska enheter som biosensorer, bildsystem, energiskördare och informationsprocessorer. Hittills har guldet som använts varit polykristallint, men under de senaste åren har olika forskargrupper finslipat tekniker för att framställa monokristallint guld.

Forskare ledd av Anatoly Zayats vid King's College London, Storbritannien och Giulia Tagliabue vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz är rapporterar nu att elektroner i dessa nya monokristallina guldfilmer beter sig väsentligt annorlunda än elektroner i polykristallint guld. "Vi fick överraskningar som vi inte förväntade oss," berättar Zayats Fysikvärlden. Skillnaderna, tillägger han, kan ge betydande fördelar för applikationer.

Plasmoniska praktiska funktioner

Guld är en användbar fotosensibilisator eftersom det stöder ett resonanssvar där det oscillerande elektromagnetiska fältet hos det infallande ljuset får elektroner att skvalpa fram och tillbaka kollektivt. Denna kollektiva rörelse kallas en plasmon, och när svängningen kommer ur fas överförs energin i plasmonen till elektroner och positivt laddade hål i guldet. Tack vare denna överföring av energi utvecklar elektronerna en effektiv temperatur som är mycket högre än materialets jämviktstemperatur. Det är dessa "heta" elektroner som är så användbara för att initiera kemiska reaktioner, signalera fotondetektion, lagra energi och så vidare. Den största utmaningen är att utvinna dem innan de förlorar sin energi.

För det mesta produceras guldfilmer genom att sputtera materialet på ett substrat, vilket ger polykristallina mikrostrukturer. Även om de kemiska processerna som krävs för att odla monokristallint guld har varit kända under en tid, påpekar Zayats att "det finns inget gratis i den här världen", och avvägningarna är branta. Särskilt för monokristallina guldlager mindre än 100 nm tjocka är de maximala sidodimensionerna bara några mikrometer, vilket begränsar tillämpningar.

Under de senaste åren har dock kemiska processer förbättrats till den grad att mikroflingor spänner över hundratals mikrometer med mindre än 20 nm tjocklek är möjliga. Dessa förbättringar fick Zayats och hans medarbetare att utforska vilka fördelar de kan ha för plasmoniska tillämpningar.

Dubbel whammy

För att undersöka de möjliga fördelarna med monokristallina guldmikroflingor, jämförde Zayats och hans kollegor polykristallina och monokristallina versioner med hjälp av pump- och sondpulser med bara femtosekunders mellanrum. Dessa pulser gjorde det möjligt för dem att övervaka de heta elektronernas ultrasnabba sönderfallsprocesser. De fann att elektronerna förblev varma mycket längre i de monokristallina flingorna, medan i de polykristallina flingorna ledde närvaron av korngränser till mer elektronspridning och större energiförlust.

Forskarna fann också att de kunde extrahera heta elektroner mycket mer effektivt från monokristallint guld. Eftersom vinkeln för total inre reflektion av en elektron som faller in på en guldyta är liten, ruggas ytan av polykristallint guld upp medvetet för att öka chanserna att en elektron träffar ytan i en vinkel som gör att den kan fly och extraheras. Däremot var ytan av det monokristallina guldet atomärt slät, men effektiviteten för elektronextraktion var nära den teoretiska gränsen på 9%. Forskarna tillskriver detta den längre heta elektronlivslängden, vilket innebär att elektronerna har så många fler möten med ytan i ett högenergiskt tillstånd att de så småningom kommer att fly.

Däremot noterar Zayats att polykristallina filmer får en dubbel träff. "Elektronernas energi är lägre och extraktionseffektiviteten är lägre", säger han. När de började sina experiment för att jämföra de polykristallina och monokristallina flingorna, tillägger han, var det inte alls klart att dessa effekter skulle vara så slående. En del av teamet ifrågasatte faktiskt poängen med att utföra experimenten överhuvudtaget.

Grundläggande skillnader

Studien avslöjade också mer nyanserade skillnader. Forskarna kunde till exempel upptäcka effekterna av den försvinnande distributionen av elektroner som suddar ut gränssnitten mellan material och tar bort de skarpa gränserna som visas i enkla "leksaksmodeller". Dessa evanescenta elektroner interagerar med fononer – gittervibrationer – i det intilliggande substratmaterialet. För tunnare guldfilmer utgör dessa evanescenta elektroner en större andel av elektronerna i guldfilmen, så att elektronerna totalt sett förlorar sin energi snabbare. Men det omvända är fallet när excitationslasereffekten ökas eftersom de är hetare och kräver mer knackning med fononer för att kyla ner.

Resultaten indikerade dessutom en förändring i bandstrukturen på grund av de varma elektronerna med längre livslängd. Även om teorin antyder att ömsesidig interaktion mellan heta elektroner och mellan heta elektroner och gitteratomer kan leda till denna effekt, var det inte klart att det skulle märkas vid de måttliga laserenergierna i studien. "Du kan föreställa dig att om du har höga krafter börjar du smälta", säger Zayats. "Att observera det vid dessa låga excitationskrafter, det var intressant."

Pan Wang, en optisk ingenjör vid Zhejiang University som inte var direkt involverad i studien, beskriver den som "riktigt imponerande". "Dessa resultat är av stor betydelse för en djupare grundläggande förståelse av icke-jämviktsbärardynamik i monokristallina metaller och ger en användbar riktlinje för att designa högpresterande varmbäraranordningar", säger han Fysikvärlden. Med hänvisning till nyare arbeten som visar att sådana filmer kan göras ännu tunnare, tillägger han att det också skulle vara "mycket intressant" att undersöka ultrasnabb bärardynamik i nanometertjockt monokristallint guld.

Resultaten visas i Nature Communications.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden