Удивительно сильный свет между плазмонными электродами

«Что касается химии, то идея о том, что в распоряжении могут оказаться очень горячие носители, захватывает». «Это означает, что некоторые химические процессы могут протекать быстрее, чем это происходит обычно»

Физики смогли наблюдать удивительно яркий свет и высокую температуру из нанощелей между плазмонными электродами, особенно золотыми.

Наблюдение за выходом света в наноразмерном эксперименте не было неожиданностью для физиков, однако привлекло их внимание тем, что исходящий свет оказался в 10 000 раз ярче, чем они ожидали.

Физики, занимающиеся изучением конденсированного состояния веществ, несколько лет назад обнаружили, что возбужденные электроны, проходящие через щель, участвуя в процессе, известном как туннелирование, создают большее напряжение, чем если бы они проходили через металлические структуры, не имеющие подобных зазоров.

В исследовании, опубликованном в журнале Nano Letters, описывается, как электроны, направляемые в туннель между золотыми электродами, в сочетании с дырками излучали яркий свет, и чем было больше входное напряжение, тем свет становился ярче.

Вверху показана иллюстрация экспериментальной установки, разработанной в Университете Райса для изучения влияния того, как электрический ток побуждает локализованные поверхностные плазмоны (LSP) к образованию горячих носителей в нанозазорах между двумя электродами. В центре показан светоизлучающий туннельный переход между двумя электродами из золота с входным напряжением от 1 до 1,2 вольт. Внизу спектрографический график показывает энергетические показатели и интенсивность фотонов, возникающих на стыке. Предоставлено исследовательской группой Natelson

Электрически генерируемые горячие носители и нетипичное излучение света могут открыть новые возможности в области фотохимии, оптоэлектроники и квантовой оптики.

Эффект зависит от металлических плазмонов, энергетической ряби, которая движется по поверхности металла. «До этого люди следовали идее о том, что плазмоны участвуют в формировании спектра светового излучения под электрическим воздействием, но не генерируют горячие носители». «Теперь стало известно, что плазмоны играют гораздо большую роль в этом процессе».

Исследователи использовали несколько металлов, преобразовав их в микроскопические электроды в форме галстуков-бабочек с нанозазорами. Испытательный лабораторный стенд позволял им одновременно создавать движение электронов и производить оптическую спектроскопию. Золото стало лучшим среди электродов, которые они испробовали, включая соединения с хромом и палладием.

«Если единственная роль плазмонов состоит в том, чтобы соединять свет, то разница в эффективности между золотом и чем-то вроде палладия может быть в 20 или 50 раз выше». «Однако тот факт, что этот коэффициент составил 10 000, говорит о том, что произошло нечто иное».

По-видимому, причина заключалась в том, что плазмоны распадаются «почти мгновенно» на горячие электроны и дырки. «Это непрерывное вспенивание, использующее электрический ток, побуждает материал к генерации большего количества электронов и дырок».

Спектр излучаемого света показал, что горячие носители действительно «горячие» и достигают температуры свыше 1650 градусов по Цельсию, в то время как электроды остаются относительно холодными, даже при скромном входном напряжении около 1 вольт.

Это открытие может быть полезным для развития оптоэлектроники и квантовой оптики, изучения взаимодействия света с веществом в исчезающе малых масштабах. «А что касается химии, то идея о том, что в распоряжении могут оказаться очень горячие носители, захватывает». «Это означает, что некоторые химические процессы могут протекать быстрее, чем это происходит обычно».

«Есть много исследователей, заинтересованных в плазмонном фотокатализе, где используется освещение, от которого возбуждаются плазмоны, а горячие носители от этих плазмонов создают невероятные химические реакции». «В принципе, можно и электрически возбуждать плазмоны, а горячие носители, которые они будут производить, будут создавать потрясающую химию».

Источник: Rice University