Monokristal altın, elektronik cihazları verimlilik sınırına yaklaştırıyor – Fizik Dünyası

Altın uzun zamandır biyosensörler, görüntüleme sistemleri, enerji toplayıcıları ve bilgi işlemcileri gibi elektronik cihazların ışığa duyarlılığını arttırmanın popüler bir yolu olmuştur. Şimdiye kadar kullanılan altın çok kristalli idi, ancak son birkaç yılda çeşitli araştırma grupları tek kristalli altın üretme tekniklerini geliştirdi.

Araştırmacılar öncülüğünde Anatoli Zayatları King's College London, İngiltere'de ve Giulia Tagliabue İsviçre'deki École Polytechnique Fédérale de Lausanne'de şimdi bildiriyor Bu yeni tek kristalli altın filmlerdeki elektronların, çok kristalli altındaki elektronlardan önemli ölçüde farklı davrandığı ortaya çıktı. Zayats, "Beklemediğimiz sürprizlerle karşılaştık" dedi Fizik dünyası. Farklılıkların uygulamalara önemli faydalar sağlayabileceğini ekliyor.

Plazmonik pratiklikler

Altın yararlı bir ışığa duyarlılaştırıcıdır çünkü gelen ışığın salınan elektromanyetik alanının elektronların toplu olarak ileri geri sallanmasına neden olduğu rezonans tepkisini destekler. Bu kolektif harekete plazmon adı veriliyor ve salınım fazdan çıktıkça plazmondaki enerji elektronlara ve altının içindeki pozitif yüklü deliklere geçiyor. Bu enerji aktarımı sayesinde elektronlar, malzemenin denge sıcaklığından çok daha yüksek bir etkin sıcaklık geliştirir. Kimyasal reaksiyonların başlatılmasında, foton tespitinin sinyalinin verilmesinde, enerjinin saklanmasında ve benzeri konularda çok faydalı olan bu "sıcak" elektronlardır. Asıl zorluk, enerjilerini kaybetmeden onları çıkarmaktır.

Çoğunlukla, altın filmler, malzemenin bir substrat üzerine püskürtülmesiyle, çok kristalli mikro yapılar üretilerek üretilir. Tek kristalli altın yetiştirmek için gereken kimyasal süreçler bir süredir bilinmesine rağmen Zayats, "bu dünyada bedava hiçbir şey olmadığını" ve ödün vermenin çok zor olduğunu belirtiyor. Özellikle 100 nm'den daha ince monokristal altın katmanları için maksimum yanal boyutlar yalnızca birkaç mikrometredir ve bu da uygulamaları kısıtlar.

Ancak son birkaç yılda kimyasal prosesler, 20 nm'den daha az kalınlığa sahip, yüzlerce mikrometreye yayılan mikro pulların ortaya çıkacağı noktaya kadar gelişti. mümkün. Bu gelişmeler, Zayats ve çalışma arkadaşlarını plazmonik uygulamalar için ne gibi avantajlara sahip olabileceklerini keşfetmeye yöneltti.

Çifte nazar

Tek kristalli altın mikro pullarının olası faydalarını araştırmak için Zayats ve meslektaşları, sadece femtosaniye aralıklı pompa ve prob darbeleri kullanarak çok kristalli ve tek kristalli versiyonlarını karşılaştırdılar. Bu darbeler, sıcak elektronların ultra hızlı bozunma süreçlerini izlemelerine olanak sağladı. Monokristal pullarda elektronların çok daha uzun süre sıcak kaldığını, polikristal pullarda ise tane sınırlarının varlığının daha fazla elektron saçılmasına ve daha fazla enerji kaybına yol açtığını buldular.

Araştırmacılar ayrıca sıcak elektronları monokristal altından çok daha verimli bir şekilde çıkarabileceklerini buldular. Bir altın yüzeye gelen elektronun toplam iç yansıma açısı küçük olduğundan, çok kristalli altının yüzeyi, bir elektronun yüzeye kaçmasına ve çıkarılmasına izin verecek bir açıyla çarpma olasılığını artırmak için kasıtlı olarak pürüzlendirilir. Buna karşılık, monokristal altının yüzeyi atomik olarak pürüzsüzdü, ancak elektron ekstraksiyonunun verimliliği %9'luk teorik sınıra yakındı. Araştırmacılar bunu daha uzun sıcak elektron ömrüne bağlıyor; bu da elektronların yüksek enerjili bir durumda yüzeyle çok daha fazla karşılaşması ve sonunda kaçmaları anlamına geliyor.

Buna karşılık Zayats, çok kristalli filmlerin çifte darbe aldığını belirtiyor. "Elektronların enerjisi daha düşük ve ekstraksiyon verimliliği daha düşük" diyor. Çok kristalli ve tek kristalli pulları karşılaştırmak için deneylerine başladıklarında, bu etkilerin bu kadar çarpıcı olacağının hiç de açık olmadığını ekliyor. Aslında ekibin bir kısmı deneyleri yürütmenin amacını sorguladı.

Temel farklılıklar

Çalışma aynı zamanda daha incelikli farklılıkları da ortaya çıkardı. Örneğin araştırmacılar, basit "oyuncak" modellerde ortaya çıkan keskin sınırları ortadan kaldırarak, malzemelerin arayüzlerini bulanıklaştıran elektronların geçici dağılımının etkilerini tespit edebildiler. Bu kaybolan elektronlar, bitişik substrat malzemesindeki fononlarla (kafes titreşimleri) etkileşime girer. Daha ince altın filmler için bu kaybolan elektronlar, altın filmdeki elektronların daha büyük bir kısmını oluşturur, böylece elektronlar genel olarak enerjilerini daha hızlı kaybederler. Bununla birlikte, uyarma lazeri gücü arttığında durum tam tersidir çünkü bunlar daha sıcaktır ve soğumak için fononlarla daha fazla darbeye ihtiyaç duyar.

Sonuçlar ayrıca daha uzun ömürlü sıcak elektronlar nedeniyle bant yapısında bir değişiklik olduğunu gösterdi. Teori, sıcak elektronlar arasındaki ve sıcak elektronlar ile kafes atomları arasındaki karşılıklı etkileşimlerin bu etkiye yol açabileceğini öne sürse de, çalışmadaki orta düzeydeki lazer enerjilerinde bunun fark edilebilir olacağı açık değildi. Zayats, "Yüksek güçleriniz varsa erimeye başladığınızı hayal edebilirsiniz" diyor. "Bunu bu düşük uyarılma güçlerinde gözlemlemek ilginçti."

Altın nanoçubuklar uzun vadeli biyoalgılama için ideal adaylardır

Pan WangAraştırmada doğrudan yer almayan Zhejiang Üniversitesi'nden optik mühendisi, bunu "gerçekten etkileyici" olarak tanımlıyor. "Bu sonuçlar, monokristalin metallerdeki denge dışı taşıyıcı dinamiklerin daha derin bir temel anlayışı için büyük önem taşıyor ve yüksek performanslı sıcak taşıyıcı cihazların tasarımı için yararlı bir kılavuz sağlıyor" diyor Fizik dünyası. Bu tür filmlerin daha da ince yapılabileceğini gösteren son çalışmalara atıfta bulunarak, nanometre kalınlığındaki monokristal altının ultra hızlı taşıyıcı dinamiklerini araştırmanın da "çok ilginç" olacağını ekliyor.

Sonuçlar görünür. Doğa İletişim.

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/monocrystalline-gold-brings-electronic-devices-near-the-efficiency-limit/