Плазмоны преобразуют свет в напряжение

Новый способ создания напряжения посредством освещения твердого тела был разработан исследователями из США и Европы. В отличие от большинства фотоэлектрических устройств, новая система базируется не на полупроводниках, а на поверхностных плазмонах в микроскопических металлических наноструктурах.

Поверхностные плазмоны являются коллективными возбуждениями электронов на поверхности металла, которые очень сильно взаимодействуют со светом. Поэтому плазмоны представляют большой технологический интерес в качестве интерфейса между фотоникой и электроникой. Это взаимодействие является наиболее сильным на резонансной частоте плазмонов, которая определяется размером и формой объекта и его плотностью заряда. В 2009 г. Поль Малвани (Paul Mulvaney) и его коллеги из университета Мельбурна в Австралии приложили электрический потенциал к наночастицам золота и обнаружили, что таким образом они могли настроить частоту плазмонного резонанса путем инжектирования или удаления электронов.

В рамках новой работы прикладной физик Гарри Этуотер (Harry Atwater) и его коллеги из Калифорнийского технологического института вместе с исследователями из Нидерландов, показали, что может происходить и обратный эффект: поверхностный потенциал может быть наведен, используя свет для изменения плотности заряда наночастицы. Команда изготовила плазмонный материал путем присоединения золотых наностержней с плазмонным резонансом на длине волны 550 нм к подложке оксида индия-олова. Затем исследователи осветили структуру лучом настраиваемого лазера и изменяли длину волны лазерного излучения от 480 нм до 650 нм. При освещении электрический потенциал на поверхности материала наблюдался с помощью проводящего зонда атомно-силового микроскопа.

Когда лазер был на резонансной частоте поверхностных плазмонов, напряжение не вызывалось. Облучение по обе стороны от резонансной частоты, тем не менее, индуцировало напряжение. При длине волны меньше 550 нм на золотых наностержнях наблюдался отрицательный потенциал, тогда как для большей длины волны – положительный. Исследователи обнаружили, что величина потенциала определялось скоростью, с которой поглощение света изменялось в зависимости от его частоты. Самый большой потенциал (отрицательный) был получен при длине волны 500 нм. Д-р Этуотер предлагает термодинамическое объяснение этого явления: «Если осветить структуру, то это вызовет минимизацию свободной энергии, которая попытается отрегулировать плотность заряда так, чтобы привести поверхностные плазмоны в резонанс с частотой возбуждающего света». Исследователи назвали это явление плазмоэлектрическим эффектом.

Устройства, представленные командой, просто генерируют разность потенциалов при освещении. Сейчас команда работает над устройством, которое будет поставлять полезную электрическую энергию и тем самым функционировать как солнечная батарея. Д-р Этуотер считает, что такое устройство может дополнить традиционные полупроводниковые фотоэлементы: «Любая солнечная батарея на однокомпонентном материале может только конвертировать напряжение от фотонов, которые имеют энергию большую, чем энергия запрещенной зоны, - сказал он. – Наш прибор потенциально может быть использован за границами обычного фотоэлемента и преобразовывать инфракрасную часть спектра, потому что я могу создать плазмонную структуру, которая имеет резонанс почти на любой частоте».

Гарри Этуотер работает над созданием плазмонной солнечной батареи

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365