物理学家:从等离子体电极间的纳米间隙中所发出的强光和高热量

物理学家:从等离子体电极间的纳米间隙中所发出的强光和高热量
2020年07月03日 09:43 小熊娱乐趣事

赖斯大学的物理学家发现,等离子体金属可以被提示产生“热载流子”,进而在电极之间的纳米级间隙中出乎意料地发出明亮的光。该现象可能对光催化、量子光学和光电子学具有应用前景。

该最新研究成果论文发表在最近美国化学学会期刊《纳米快报》上。论文第一作者崔龙吉(Longji Cui)和第二作者朱云轩(Yunxuan Zhu)为中国博士学者。

物理学家并不惊奇地看到纳米实验发出的光。但是,当那盏灯的亮度比预期的高1万倍时,引起了他们的注意。

研究人员发现了这种巨大的发射,是由两个由等离子体材料(特别是金)制成的电极之间的纳米级间隙引起的。

几年前,实验室发现,激发电子越过间隙,这种现象被称为隧道效应,产生的电压要比金属平台中没有间隙的电压大。

在该项新研究中,当这些热电子是由驱动在金电极之间隧穿的电子产生的时,它们与空穴的复合会发出明亮的光,而输入电压越大,光越亮。

效果取决于金属的等离激元,即流过其表面的能量波动。研究人员说:“人们已经探索出等离激元对电动发光光谱很重要,但首先不产生这些热载流子的想法。” “现在,我们知道等离子体激元在此过程中扮演着多种角色。”

研究人员将几种金属制成具有纳米间隙的、微观的、蝴蝶结状的电极,可以让它们同时进行电子传输和光谱分析。在电极中,金是性能最好的电极,其中包括具有抑制等离子激元的铬和的化合物,这些化合物可帮助确定等离子激元在该现象中的作用。

研究人员说:“如果等离激元的唯一作用是帮助将光耦合出去,那么使用金和钯之类的材料之间的差异可能是20或50倍。” “这一事实告诉您正在发生一些不同的事情。”

原因是等离子体激元“几乎立即”衰减成热电子和空穴。“这种持续不断的搅动,利用电流将材料踢进去,产生了更多的电子和空穴,给了我们这种稳态的载流子热分布,而且我们能够一次保持几分钟。”

通过发射的光谱,研究人员的测量表明,那些热的载流子确实很热,达到了华氏3千度以上的温度,而电极却保持了相对凉爽的状态,即使输入的电压只有大约1伏。

这一发现可能对光电子学和量子光学的发展很有用,这对于以小规模消失的光-物质相互作用进行研究。“在化学方面,可以拥有非常热的载体的想法令人兴奋。” “这意味着您可能会使某些化学过程比平常更快地运行。

研究团队表示:“有很多研究对等离子光催化感兴趣,在这种情况下,可以发出光,激发等离激元,而这些等离激元中的热载体会产生有趣的化学反应。” “原则上,可以电激发等离子体激元,它们产生的热载体可以进行有趣的化学反应。”

参考:Longji Cui et al, Electrically Driven Hot-carrier Generation and Above-threshold Light Emission in Plasmonic Tunnel Junctions, Nano Letters (2020).

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