Os físicos da Rice University descobriram que os metais plasmônicos podem ser estimulados a produzir "portadores quentes" que, por sua vez, emitem luz brilhante inesperadamente em lacunas em nanoescala entre os eletrodos. O fenômeno pode ser útil para fotocatálise, óptica quântica e optoeletrônica. Crédito:Longji Cui e Yunxuan Zhu / Rice University
Ver a luz emergir de um experimento em nanoescala não foi uma grande surpresa para os físicos da Rice University. Mas chamou a atenção deles quando a luz era 10, 000 vezes mais brilhante do que esperavam.
O físico de matéria condensada Doug Natelson e seus colegas da Rice e da University of Colorado Boulder descobriram esta emissão maciça de uma lacuna em nanoescala entre dois eletrodos feitos de materiais plasmônicos, particularmente ouro.
O laboratório havia descoberto alguns anos atrás que elétrons excitados saltando a lacuna, um fenômeno conhecido como tunelamento, criou uma tensão maior do que se não houvesse lacuna nas plataformas metálicas.
No novo estudo da revista American Chemical Society Nano Letras , quando esses elétrons quentes foram criados por elétrons conduzidos ao túnel entre os eletrodos de ouro, sua recombinação com buracos emitia luz brilhante, e quanto maior for a tensão de entrada, mais brilhante é a luz.
O estudo liderado por Natelson e os autores principais Longji Cui e Yunxuan Zhu foi publicado no jornal American Chemical Society Nano Letras e deve ser de interesse para aqueles que pesquisam optoeletrônica, óptica quântica e fotocatálise.
O efeito depende dos plasmons do metal, ondas de energia que fluem por sua superfície. "As pessoas exploraram a ideia de que os plasmons são importantes para o espectro de emissão de luz elétrica, mas não gerando esses portadores quentes em primeiro lugar, "Natelson disse." Agora sabemos que os plasmons estão desempenhando papéis múltiplos neste processo. "
No topo, uma ilustração mostra a configuração experimental desenvolvida na Rice University para estudar o efeito de como a corrente avisa os plasmons de superfície localizados (LSPs) para produzir transportadores quentes no nanogap entre dois eletrodos. Centro, uma foto mostra uma junção em túnel emissor de luz entre dois eletrodos de ouro com entrada de 1 a 1,2 volts. No fundo, um gráfico espectrográfico mostra a energia e intensidade do fóton produzida na junção. Crédito:Natelson Research Group / Rice University
Os pesquisadores transformaram vários metais em microscópicos, eletrodos em forma de gravata borboleta com nanogaps, uma bancada de testes desenvolvida pelo laboratório que permite a realização simultânea de transporte de elétrons e espectroscopia óptica. Gold foi o melhor desempenho entre os eletrodos que eles tentaram, incluindo compostos com cromo e paládio amortecedores de plasmon escolhidos para ajudar a definir a parte dos plasmons no fenômeno.
"Se o único papel dos plasmons é ajudar a acoplar a luz, então a diferença entre trabalhar com ouro e algo como paládio pode ser um fator de 20 ou 50, "Natelson disse." O fato de ser um fator de 10, 000 diz que algo diferente está acontecendo. "
A razão parece ser que os plasmons decaem "quase imediatamente" em elétrons quentes e lacunas, ele disse. "Essa agitação contínua, usando corrente para chutar o material para gerar mais elétrons e buracos, nos dá esta distribuição quente em estado estacionário de portadoras, e conseguimos mantê-lo por alguns minutos de cada vez, "Natelson disse.
Através do espectro da luz emitida, as medições dos pesquisadores revelaram que esses portadores quentes são realmente quentes, atingindo temperaturas acima de 3, 000 graus Fahrenheit enquanto os eletrodos permanecem relativamente frios, mesmo com uma entrada modesta de cerca de 1 volt.
Natelson disse que a descoberta pode ser útil no avanço da optoeletrônica e da óptica quântica, o estudo das interações luz-matéria em escalas cada vez menores. "E do lado da química, essa ideia de que você pode ter operadoras muito quentes é empolgante, "disse ele." Isso implica que você pode fazer com que certos processos químicos funcionem mais rápido do que o normal.
“Há muitos pesquisadores interessados na fotocatálise plasmônica, onde você ilumina, excite plasmons e os portadores quentes desses plasmons fazem uma química interessante, "ele disse." Isso complementa isso. Em princípio, você poderia excitar eletricamente plasmons e os transportadores quentes que eles produzem podem fazer uma química interessante. "
