Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Plazmony wzbudzają gorące nośniki

ghost666 21 Lip 2014 15:00 2115 0
  • Plazmony wzbudzają gorące nośniki Amerykańskim naukowcom udało się wreszcie stworzyć kompletną teorię, tłumaczącą w jaki sposób plazmony wzbudzają tak zwane "gorące nośniki". Opracowany przez nich model pozwoli na przeprowadzanie produkcji gorących nośników w sposób efektywniejszy, na przykład w panelach fotowoltaicznych, co powinno podnieść ich sprawność. Innymi zastosowaniami opracowanej teorii może być poprawianie efektywności procesów fotokatalitycznych, jakie używane są, na przykłąd, do generacji wodoru z wody.

    Plazmony to kwazicząstki, będące wynikiem kwantyzacji kolektywnych oscylacji wolnych nośników (elektronów z pasma przewodzenia) na powierzchni metalicznych nanostruktur. Plazmony silnie oddziałują ze światłem i oddziaływanie to pozwala na koncentrację energii promieniowania elektromagnetycznego do bardzo niskich objętości - znacznie poniżej limitów nakładanych na fale elektromagnetyczne przez, na przykład, limit dyfrakcyjny. Zjawisko to może znaleźć swoje wykorzystanie w szerokim zakresie technologii, poczynając od detekcji światła, poprzez komunikację optyczną, fotowoltaikę i na spektroskopii skończywszy. (Plazmony już odnalazły się w kilku aplikacjach praktycznych, takich jak np. SERS, czyli do wzmacniania intensywności emisji w spektroskopii Ramanowskiej, używanej do badania np. materiałów biologicznych - przyp. tłum.).

    Plazmony powierzchniowe żyją przez bardzo krótką chwilę od wzbudzenia, poczym zanikają. "Zanik ten może być promienisty - w takim przypadku zachodzi rekombinacja plazmonu w foton, który zostaje wyemitowany z powierzchni, bądź też niepromienisty, co powoduje generację pary nośników - elektronu i dziury" - tak tłumaczy to zjawisko Peter Nordlander z Rice University. W przypadku zaniku bezpromienistego produkowane są tak zwane "gorące" nośniki. Są to elektrony i dziury, które zostały wzbudzone fotonami o wysokiej energii.

    Przechwytywanie energii gorących nośników

    W materiałach objętościowych gorące nośniki szybko stygną - w czasach rzędu pikosekund, powodując generację fononów (czyli wibracji struktury krystalicznej, inaczej widocznych jako ciepło). Straty te są całkiem poważne, gdyż nawet 50% energii traconej w dzisiejszych panelach słonecznych traconej jest właśnie w tym mechanizmie. Jeśli udałoby się odzyskać energię gorących nośników zanim przejdzie ona w ciepło, efektywność konwersji światła słonecznego na prąd elektryczny znacznie by wzrosła. Co więcej możliwe jest iż gorące nośniki są w stanie indukować reakcje fotochemiczne, które w innym przypadku by nie zaszły, z uwagi na zbyt wielkie zapotrzebowanie na energię. Oznacza to iż molekuły znajdujące się blisko nanostruktur plazmonicznych mogą zostać wykorzystane, na przykład, do produkcji wodoru z wody. Wykorzystanie światła słonecznego do prowadzenia podziału wody na wodór i tlen wydaje się być bardzo kuszącą perspektywą na uzyskanie odnawialnego i czystego źródła energii. Dodatkowo gorące nośniki mogą służyć także jako domieszki, wprowadzając elektrony do molekuł i struktur znajdujących się w pobliżu nanocząstki metalicznej.





    Prosty model

    Aby w pełni wykorzystać te nośniki w opisywanych aplikacjach, naukowcu zrozumieć muszą procesy fizyczne zachodzące podczas generacji gorących nośników przez plazmony zaindukowane w metalicznych nanocząsteczkach. Zespół kierowany przez Nordlandera opracował prosty model teoretyczny, opisujący genrację gorących nośników w sferycznych, srebrnych nanocząstkach i nanosferach. Model ten opisuje jak elektrony z pasma przewodzenia jako wolne cząstki i analizuje, zgodnie z złotą zasadą Fermiego, ich zachowanie, co pozwala na wyznaczenie przejść stanów kwantowych z jednego stanu do kolejnego na skutek oddziaływań np. z promieniowaniem elektromagnetycznym.

    Opracowany model umożliwił naukowcom wyznaczenie ilości wygenerowanych gorących nośników, jako funkcji długości fali światłą, która wzbudziła plazmony w nanocząstce metalicznej, a także prędkość ich produkcji. Wyznaczony w ten sposób profil spektralny jest bardzo istotny do charakteryzacji zachowania badanych materiałów.

    Wielkość cząstek a czas życia gorącego nośnika

    "Nasze analizy wykazały, iż wielkość cząstki i czas życia gorącego nośnika są kluczowe dla oszacowania energii i prędkości generacji tych nośników" mówi Nordlander. "Duże cząstki i krótsze czasy życia powodują szybszą produkcję nośników, jednakże o mniejszej energii. Z kolei małe cząstki produkują mniej, jednakże bardziej energetycznych gorących nośników".

    Zespołowi naukowców zajmujących się tym zagadnieniem udało się także ocenić efektywność procesu generacji gorących nośników przez plazmon oceniając ile wysokoenergetycznych nośników wyprodukowanych jest na każdy wzbudzony w nanocząstce plazmon.

    "Nasze wyniki mogą pomóc w projektowaniu bardziej efektywnych strategii generowania gorących nośników", mówi Alejandro Manjavacas, członek zespołu naukowców z Rice University. "Aktualnie zajmujemy się rozwijaniem teorii dotyczącej generacji gorących nośników w nanocząstkach z metali przejściowych, oraz teorii która opisywać miałaby jak gorący nośnik ewoluuje w czasie" dodaje Manjavacas. Ocena skali czasowej w której żyje i zanika gorący nośnik jest kolejnym, kluczowym krokiem potrzebnym do dalszej optymalizacji procesu generacji i przechwytywania tych nośników.

    Opisywany powyżej artykuł ukazał się w czasopiśmie http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn502445f ACS Nano.

    Źródło:

    http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/jul/10/plasmons-excite-hot-carriers