La résonance plasmonique des nanotiges d'or sur graphène est élargie par rapport aux nanotiges d'or sur quartz, selon une nouvelle étude réalisée par des scientifiques de l'Université Rice. La largeur de pic supplémentaire a été attribuée au transfert d'électrons excités entre les nanotiges d'or et le graphène. Crédit :Anneli Hoggard/Rice University
(Phys.org) —Les nanoparticules plasmoniques développées à l'Université Rice sont de plus en plus connues pour leur capacité à transformer la lumière en chaleur, mais comment les utiliser pour produire de l'électricité n'est pas aussi bien compris.
Les scientifiques de Rice y travaillent, trop. Ils suggèrent que l'extraction des électrons générés par les plasmons de surface dans les nanoparticules métalliques peut être optimisée.
Les chercheurs de Rice dirigés par le chimiste Stephan Link et l'étudiante diplômée Anneli Hoggard s'efforcent de comprendre la physique; ils ont commencé par mesurer la vitesse et l'efficacité d'électrons "chauds" excités tirés de nanoparticules d'or dans une feuille de graphène.
C'est une bonne chose pour les scientifiques et les ingénieurs de savoir qu'ils travaillent sur des technologies au-delà des dispositifs photovoltaïques standard qui engloutissent la lumière pour conduire des réactions chimiques ou de l'électronique de nouvelle génération. Le travail a été rapporté récemment dans la revue American Chemical Society ACS Nano .
« Nous avons examiné ce processus au niveau d'une seule particule, " a déclaré l'auteur principal Hoggard. " Au lieu de regarder un appareil qui a de nombreuses jonctions, nous avons examiné une particule à la fois. Nous avons dû mesurer beaucoup de particules pour obtenir de bonnes statistiques."
La diffusion en champ sombre et la spectroscopie de photoluminescence de plus de 200 nanoparticules les ont aidés à déterminer qu'il faut environ 160 femtosecondes (quadrillionièmes de seconde) pour qu'un électron passe de la particule au graphène hautement conducteur, la forme de carbone à un seul atome d'épaisseur.
Les plasmons sont l'excitation collective d'électrons libres dans les métaux qui, lorsqu'il est stimulé par une source d'énergie comme la lumière du soleil ou un laser, mettre en place une oscillation harmonique des charges de surface semblable à des ondes. Dans le processus, ils diffusent une lumière lisible par un spectromètre, qui capte et catégorise la lumière en fonction de ses longueurs d'onde.
Des chercheurs de l'Université Rice ont déterminé le temps qu'il faut aux électrons générés par les plasmons dans une nanotige d'or pour se transférer sur une feuille de graphène grâce à l'analyse spectroscopique de centaines de particules. La recherche aidera les scientifiques à élaborer des stratégies sur les moyens de rassembler et de stocker les électrons des particules plasmoniques. Crédit :Anneli Hoggard/Rice University
Si l'apport d'énergie est suffisamment intense, la sortie peut également être intense. Dans un exemple pratique démontré à Rice, L'excitation des plasmons dans les nanoparticules d'or produit de la chaleur qui transforme instantanément même l'eau glacée en vapeur.
Cette énergie d'excitation peut également être canalisée dans d'autres directions grâce à la création d'électrons chauds qui peuvent être transférés vers des accepteurs appropriés, Lien a dit, mais à quelle vitesse les électrons utilisables s'écoulent des nanoparticules plasmoniques est peu compris. "Le plasmon génère des électrons chauds qui se désintègrent très rapidement, donc les intercepter est un défi, " a-t-il dit. " Nous réalisons maintenant que ces électrons peuvent être utiles. "
Cette pensée a incité le laboratoire de Link à se lancer dans un effort minutieux pour analyser des nanoparticules uniques. Les chercheurs ont placé des nanotiges d'or sur des lits de quartz inerte et de graphène hautement conducteur et ont utilisé un spectromètre pour visualiser la largeur de raie du spectre de diffusion des plasmons.
La largeur de raie homogène obtenue par spectroscopie à particule unique est une mesure de la gamme de longueurs d'onde qui excitent par résonance un plasmon de surface. C'est aussi une mesure de la durée de vie du plasmon. Les largeurs de lignes larges correspondent à des durées de vie courtes et les largeurs de lignes étroites à des durées de vie longues.
Les chercheurs de Rice ont découvert que le graphène élargissait la réponse plasmonique de surface des nanotiges – et raccourcissait sa durée de vie – en acceptant des électrons chauds. En agissant comme un accepteur d'électrons, le graphène a accéléré l'amortissement des plasmons. La différence d'amortissement entre les échantillons de quartz et de graphène a permis de calculer le temps de transfert des électrons.
"La résonance plasmon est déterminée par la taille et la forme de la nanoparticule, " dit Hoggard. " Et il apparaît généralement comme un seul pic pour les nanotiges d'or. Mais il y a des paramètres importants sur le pic :La position et la largeur du pic peuvent nous donner des informations sur la particule elle-même, ou le type d'environnement dans lequel il se trouve. Nous avons donc examiné comment la largeur du pic change lorsque des nanoparticules sont introduites dans un environnement acceptant les électrons, qui dans ce cas est le graphène."
Le laboratoire Rice espère optimiser la connexion entre les nanoparticules et le graphène ou un autre substrat, préférentiellement un semi-conducteur qui leur permettra de piéger les électrons chauds.
"Mais cette expérience ne visait pas à fabriquer un appareil spécifique, " dit Link. " Il s'agissait de mesurer l'étape de transfert. Bien sûr, maintenant nous pensons à concevoir des systèmes pour séparer la charge plus longtemps, car les électrons ont été transférés rapidement vers les nanotiges d'or. Nous voulons utiliser ces électrons chauds pour des appareils comme des photodétecteurs ou comme catalyseurs où ces électrons peuvent faire de la chimie.
"Ce serait fascinant si nous pouvions utiliser ce processus comme source d'électrons chauds pour la catalyse et également comme outil analytique pour observer de telles réactions activées par les plasmons. C'est la grande image."
