p (Phys.org) - Nanopartículas plasmônicas desenvolvidas na Rice University estão se tornando conhecidas por sua capacidade de transformar luz em calor, mas como usá-los para gerar eletricidade não é tão bem compreendido. p Cientistas da Rice estão trabalhando nisso, também. Eles sugerem que a extração de elétrons gerados por plasmons de superfície em nanopartículas de metal pode ser otimizada.

p Pesquisadores de arroz liderados pelo químico Stephan Link e a estudante graduada Anneli Hoggard estão se esforçando para entender a física; eles começaram medindo a velocidade e a eficiência de elétrons "quentes" excitados retirados de nanopartículas de ouro em uma folha de grafeno.

p É uma coisa boa para cientistas e engenheiros saberem, enquanto trabalham em tecnologias além dos dispositivos fotovoltaicos padrão que devoram luz para conduzir reações químicas ou eletrônicos de última geração. O trabalho foi relatado recentemente na revista American Chemical Society. ACS Nano .

p "Vimos esse processo em um nível de partícula única, "disse o autor principal Hoggard." Em vez de olhar para um dispositivo que tem muitas junções, olhamos para uma partícula de cada vez. Tivemos que medir muitas partículas para obter boas estatísticas. "

p Espalhamento de campo escuro e espectroscopia de fotoluminescência de mais de 200 nanopartículas os ajudaram a determinar que leva cerca de 160 femtossegundos (quatrilionésimos de segundo) para um elétron se transferir da partícula para o grafeno altamente condutor, a forma de carbono com a espessura de um único átomo.

p Plasmons são a excitação coletiva de elétrons livres em metais que, quando estimulado por uma fonte de energia como a luz solar ou um laser, configurar uma oscilação harmônica das cargas superficiais semelhantes às ondas. No processo, eles espalham luz que pode ser lida por um espectrômetro, que captura e categoriza a luz de acordo com seus comprimentos de onda.

p Se a entrada de energia for intensa o suficiente, a saída também pode ser intensa. Em um exemplo prático demonstrado na Rice, A excitação do plasmon em nanopartículas de ouro produz calor que transforma instantaneamente até mesmo água gelada em vapor.

p Essa energia de excitação também pode ser canalizada em outras direções através da criação de elétrons quentes que podem ser transferidos para aceitadores adequados, Link disse, mas a rapidez com que os elétrons utilizáveis ​​fluem das nanopartículas plasmônicas é pouco conhecida. "O plasmon gera elétrons quentes que decaem muito rapidamente, então, interceptá-los é um desafio, "disse ele." Agora estamos percebendo que esses elétrons podem ser úteis. "

p Esse pensamento levou o laboratório de Link a embarcar no árduo esforço para analisar nanopartículas individuais. Os pesquisadores colocaram nanobastões de ouro em leitos de quartzo inerte e grafeno altamente condutivo e usaram um espectrômetro para visualizar a largura da linha do espectro de espalhamento do plasmon.

p A largura de linha homogênea obtida por meio de espectroscopia de partícula única é uma medida da faixa de comprimentos de onda que excitam ressonantemente um plasmon de superfície. É também uma medida da vida útil do plasmon. Larguras de linha correspondem a tempos de vida curtos e larguras de linha estreitas a tempos de vida longos.

p Os pesquisadores do Rice descobriram que o grafeno ampliou a resposta do plasmon de superfície dos nanobastões - e encurtou sua vida útil - ao aceitar elétrons quentes. Atuando como um aceitador de elétrons, o amortecimento acelerado do grafeno dos plasmons. A diferença no amortecimento entre as amostras de quartzo e grafeno forneceu um meio de calcular o tempo de transferência de elétrons.

p "A ressonância do plasmon é determinada pelo tamanho e pela forma da nanopartícula, "Hoggard disse." E geralmente aparece como um único pico para nanobastões de ouro. Mas existem parâmetros importantes sobre o pico:a posição e a largura do pico podem nos dar informações sobre a própria partícula, ou o tipo de ambiente em que está. Então, vimos como a largura do pico muda quando as nanopartículas são introduzidas em um ambiente que aceita elétrons, que neste caso é o grafeno. "

p O laboratório Rice espera otimizar a conexão entre as nanopartículas e o grafeno ou outro substrato, preferencialmente um semicondutor que lhes permitirá capturar elétrons quentes.

p "Mas este experimento não era sobre como fazer um dispositivo específico, "Link disse." Tratava-se de medir a etapa de transferência. Claro, agora estamos pensando em projetar sistemas para separar a carga por mais tempo, à medida que os elétrons são transferidos rapidamente de volta para os nanobastões de ouro. Queremos colocar esses elétrons quentes para trabalhar em dispositivos como fotodetectores ou como catalisadores onde esses elétrons podem fazer química.

p "Seria fascinante se pudéssemos usar esse processo como uma fonte de elétrons quentes para a catálise e também como uma ferramenta analítica para observar essas reações ativadas pelo plasmon. Esse é o quadro geral."