Figura 1. (a) Representação esquemática do experimento:uma corrente de túnel flui de uma ponta Au STM para plasmons de excitação de superfície Ag (111), cujo decaimento radiativo leva à emissão de fótons. (b) Diagrama de nível mostrando que a largura da janela de energia dos possíveis estados inicial e final de um processo de túnel inelástico excitando um plasmon de energia hν é eV B - hν; ou seja, para energias de fótons baixas, transições mais inelásticas contribuem para a emissão. Para energias de fótons superiores à tensão de polarização, processos inelásticos ligando estados ocupados na ponta e estados vazios na amostra tornam-se impossíveis. (c) Espectros de eletroluminescência de túnel registrados em 4,9 K com uma tensão de polarização de 3,5 V, onde todos os modos de cavidade plasmônica relevantes podem ser acessados por processos inelásticos, e em tensões mais baixas (2,4-2,5 V), demonstrando a supressão de intensidade em energias de fótons maiores que a polarização aplicada. Inserido:amplie a borda de emissão. A cauda de emissão de overbias é sombreada. (d) Comparação entre a dependência de tensão da amplitude de sobretensão (A, ou seja, a intensidade da luz no corte) e a emissão integrada total ( eu luz T , ou seja, intensidade de luz integrada em energias maiores do que o corte) com os espectros totalmente desenvolvidos em 3,5 V. (e) Normalização dos espectros de borda de emissão em tensões diferentes por suas respectivas amplitudes, UMA, torna o espectro de voltagem independente. Crédito:DOI:10.1021 / acs.nanolett.1c00951
É bem sabido que uma corrente elétrica aumenta a temperatura do material por onde é conduzida devido ao chamado efeito Joule. Este efeito, que é usado diariamente em aquecedores domésticos e industriais, secadores de cabelo, fusíveis térmicos, etc, ocorre porque os novos elétrons injetados no material não podem ir para os estados de energia mais baixos porque esses já estão ocupados pelos elétrons do material e, portanto, devem iniciar sua jornada com energias relativamente altas. Esses elétrons são chamados de portadores quentes. Contudo, à medida que se movem pelo material, portadores quentes perdem energia por meio de colisões com outros elétrons e átomos no sólido. O processo pelo qual essa energia perdida é traduzida em energia térmica e, Portanto, em um aumento na temperatura, é conhecido como termalização de portadores quentes.
Deve-se notar, no entanto, que este efeito bem conhecido ocorre para fluxos de elétrons muito elevados, que pode chegar a bilhões de elétrons por segundo em dispositivos eletrônicos convencionais. Portanto, revela informações sobre o comportamento coletivo dos elétrons, mas quanto tempo leva para cada um deles perder sua energia é uma pergunta geralmente difícil de responder experimentalmente.
Em um artigo publicado em Nano Letras , um grupo de pesquisadores espanhóis propôs um novo método para explorar a termalização de portadores quentes com resolução temporária de bilionésimos de segundo. O trabalho, que resulta de uma colaboração entre a Universidade Autônoma de Madrid, IFIMAC, o Instituto de Estudos Avançados em Nanociência de Madrid (IMDEA Nanociencia), o Donostia International Physics Center (DIPC) e a University of the Basque Country (EHU), usou um microscópio de túnel de varredura para injetar elétrons em uma superfície de prata a uma taxa mil vezes menor do que a correspondente às correntes de operação em dispositivos padrão. Os pesquisadores examinaram a distribuição de energia da luz emitida na junção em resposta à injeção de elétrons.
Uma visão ingênua da lei da conservação de energia implicaria que os fótons não deveriam ser emitidos com energias maiores do que a voltagem aplicada à junção:O experimento, pelo contrário, mostra que embora o número de fótons com energias maiores que a voltagem aplicada seja muito pequeno, não é totalmente zero. Em seu trabalho, o consórcio, liderado pelo Prof. Roberto Otero, explica este fenômeno como o resultado de levar em consideração a temperatura da nuvem de elétrons do sólido, e permitiu aos pesquisadores extrair essa temperatura da distribuição de energia dos fótons com energias acima da voltagem.
Esta análise mostra que a temperatura da nuvem de elétrons e a do próprio material coincidem para altas temperaturas e baixas correntes. Contudo, conforme a corrente aumenta, a temperatura eletrônica estimada aumenta acima da temperatura da amostra. Os autores racionalizam esse comportamento levando em consideração que, aumentando a corrente, o tempo médio entre a injeção de elétrons consecutivos diminui. Quando este tempo é menor que o tempo correspondente à termalização dos portadores quentes, o segundo elétron injetado percebe que a temperatura da nuvem de elétrons é mais alta do que a da amostra, porque a energia do primeiro elétron ainda não foi completamente dissipada. Se a injeção do segundo elétron resultar na emissão de luz, a distribuição de energia da luz com energias acima da voltagem refletirá a temperatura da nuvem de elétrons no momento da injeção. Desta maneira, medindo a emissão de luz com energias acima da tensão em diferentes correntes, é possível acompanhar a velocidade com que ocorre o processo de termalização.
O estudo esclarece a natureza da emissão de fótons acima da voltagem aplicada e mostra como esse fato é perfeitamente consistente com o conhecimento científico atual. Adicionalmente, oferece uma nova maneira de medir a temperatura eletrônica de sólidos por meio de um microscópio de túnel de varredura com resolução espacial atômica. E oferece uma nova ferramenta para estudar os processos de termalização de portadores quentes, um de cada vez. Por todas essas razões, os autores estão confiantes de que este trabalho é essencial para o projeto e caracterização de dispositivos luminescentes e térmicos em nanoescala, e pode ter implicações importantes para o projeto de catalisadores nanométricos para diferentes reações químicas, ou a fabricação de lasers nanométricos que poderiam funcionar com potências de bomba extraordinariamente baixas.
