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  • Appareils à plasmon pour la médecine, Sécurité, cellules solaires

    Un professeur de l'Université Rice a introduit une nouvelle méthode qui tire parti de la production de métaux plasmoniques de porteurs chauds pour augmenter la lumière à une fréquence plus élevée. Une image au microscope électronique en bas montre des puits quantiques recouverts d'or, chacun environ 100 nanomètres de large. Crédit :Gururaj Naik/Université du riz

    La méthode d'un professeur de l'Université Rice pour « convertir » la lumière pourrait rendre les cellules solaires plus efficaces et les nanoparticules ciblant les maladies plus efficaces.

    Expériences menées par Gururaj Naik, professeur assistant en génie électrique et informatique, métaux plasmoniques combinés et puits quantiques semi-conducteurs pour augmenter la fréquence de la lumière, changer sa couleur.

    Dans un prototype à l'échelle nanométrique développé par Naik en tant que chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford, des pylônes conçus sur mesure qui ont été frappés par la lumière verte ont produit une lueur bleue à plus haute énergie. "Je prends des photons de basse énergie et je les convertis en photons de haute énergie, " il a dit.

    Une conversion ascendante efficace de la lumière pourrait permettre aux cellules solaires de transformer la lumière infrarouge autrement gaspillée en électricité ou d'aider les nanoparticules activées par la lumière à traiter les cellules malades, dit Naik.

    Le travail apparaît dans l'American Chemical Society's Lettres nano .

    La magie se produit à l'intérieur de minuscules pylônes qui mesurent environ 100 nanomètres de diamètre. Lorsqu'il est excité par une longueur d'onde spécifique de la lumière, des grains d'or à l'extrémité des pylônes convertissent l'énergie lumineuse en plasmons, vagues d'énergie qui clapotent rythmiquement à travers la surface dorée comme des ondulations sur un étang. Les plasmons sont de courte durée, et quand ils se décomposent, ils abandonnent leur énergie de deux manières; soit ils émettent un photon de lumière, soit ils produisent de la chaleur en transférant leur énergie à un seul électron, un électron « chaud ».

    Le travail de Naik à Stanford a été inspiré par les travaux révolutionnaires des professeurs Naomi Halas et Peter Nordlander du Rice's Laboratory for Nanophotonics, qui avait montré que les matériaux plasmoniques excitants excitaient également des "porteurs chauds" - électrons et trous - à l'intérieur. (Les trous d'électrons sont les lacunes créées lorsqu'un électron est excité dans un état supérieur, donnant à son atome une charge positive.)

    Gururaj Naik développe une technologie pour convertir la lumière en utilisant des lasers pour alimenter des dispositifs qui combinent des métaux plasmoniques et des puits quantiques semi-conducteurs. Crédit :Tommy LaVergne/Université Rice

    "La plasmonique est vraiment géniale pour presser la lumière à l'échelle nanométrique, " dit Naïk, qui a rejoint la faculté de Rice il y a un an. "Mais cela vient toujours au prix de quelque chose. Halas et Nordlander ont montré que vous pouvez extraire les pertes optiques sous forme d'électricité. Mon idée était de les remettre sous forme optique."

    Il a conçu des pylônes en utilisant des couches alternées de nitrure de gallium et de nitrure de gallium d'indium surmontées d'une fine couche d'or et entourées d'argent. Au lieu de laisser filer les porteurs chauds, La stratégie de Naik consistait à diriger à la fois les électrons chauds et les trous chauds vers les bases de nitrure de gallium et d'indium gallium qui servent de puits quantiques de piégeage d'électrons. Ces puits ont une bande interdite inhérente qui séquestre les électrons et les trous jusqu'à ce qu'ils se recombinent à une énergie suffisante pour sauter l'espace et libérer des photons à une fréquence plus élevée.

    Convertisseurs élévateurs actuels utilisés dans les communications sur puce, la thérapie photodynamique, la sécurité et le stockage des données ont des rendements de l'ordre de 5 à 10 %, dit Naik. La théorie quantique offre une efficacité maximale de 50 % ("parce que nous absorbons deux photons pour en émettre un") mais, il a dit, 25 pour cent est un objectif pratique pour sa méthode.

    Naik a noté que ses appareils peuvent être réglés en changeant la taille et la forme des particules et l'épaisseur des couches. "Les convertisseurs ascendants à base de lanthanides et de molécules organiques émettent et absorbent la lumière à des fréquences définies car ils sont fixés par des niveaux d'énergie atomique ou moléculaire, ", a-t-il déclaré. "Nous pouvons concevoir des puits quantiques et régler leurs bandes interdites pour émettre des photons dans la gamme de fréquences que nous voulons et concevoir de la même manière des nanostructures métalliques à absorber à différentes fréquences. Cela signifie que nous pouvons concevoir l'absorption et l'émission presque indépendamment, ce qui n'était pas possible avant."

    Naik a construit et testé un prototype de preuve de concept du réseau de pylônes tout en travaillant dans le laboratoire de Stanford de Jennifer Dionne après avoir co-écrit avec elle un article théorique qui a préparé le terrain pour les expériences.

    "C'est un appareil à semi-conducteurs, " Naik a déclaré à propos du prototype. " La prochaine étape consiste à fabriquer des particules autonomes en enduisant des points quantiques avec du métal à la bonne taille et à la bonne forme. "

    Ceux-ci sont prometteurs en tant qu'agents de contraste médicaux ou véhicules d'administration de médicaments, il a dit. "La lumière infrarouge pénètre plus profondément dans les tissus, et la lumière bleue peut provoquer les réactions nécessaires à l'administration du médicament, " a déclaré Naik. " Les gens utilisent des convertisseurs élévateurs avec de la drogue, les livrer à la partie désirée du corps, et faire briller la lumière infrarouge de l'extérieur pour délivrer et activer le médicament."

    Les particules feraient aussi une encre invisible moyenne, il a dit. "Vous pouvez écrire avec un convertisseur élévateur et personne ne le saura tant que vous n'y brillerez pas d'infrarouge à haute intensité et qu'il se convertira en lumière visible."


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