Les physiciens de l'Université Rice découvrent que les métaux plasmoniques peuvent être amenés à produire des « porteurs chauds » qui à leur tour émettent une lumière étonnamment brillante dans des espaces nanométriques entre les électrodes. Le phénomène pourrait être utile pour la photocatalyse, optique quantique et optoélectronique. Crédit :Longji Cui et Yunxuan Zhu/Université du riz
Voir la lumière émerger d'une expérience à l'échelle nanométrique n'a pas été une grande surprise pour les physiciens de l'Université Rice. Mais ça a attiré leur attention quand cette lumière était à 10, 000 fois plus lumineux que prévu.
Le physicien de la matière condensée Doug Natelson et ses collègues de Rice et de l'Université du Colorado Boulder ont découvert cette émission massive à partir d'un espace nanométrique entre deux électrodes en matériaux plasmoniques, en particulier l'or.
Le laboratoire avait découvert il y a quelques années que des électrons excités sautant le fossé, un phénomène connu sous le nom de tunneling, créé une tension plus importante que s'il n'y avait pas d'espace dans les plates-formes métalliques.
Dans la nouvelle étude de la revue American Chemical Society Lettres nano , lorsque ces électrons chauds ont été créés par des électrons conduits à un tunnel entre des électrodes d'or, leur recombinaison avec des trous émettant une lumière vive, et plus la tension d'entrée est élevée, plus la lumière est vive.
L'étude dirigée par Natelson et les auteurs principaux Longji Cui et Yunxuan Zhu apparaît dans la revue American Chemical Society Lettres nano et devrait intéresser ceux qui recherchent l'optoélectronique, optique quantique et photocatalyse.
L'effet dépend des plasmons du métal, ondulations d'énergie qui traversent sa surface. "Les gens ont exploré l'idée que les plasmons sont importants pour le spectre d'émission de lumière électrique, mais ne générant pas ces porteurs chauds en premier lieu, " a déclaré Natelson. " Maintenant, nous savons que les plasmons jouent plusieurs rôles dans ce processus. "
En haut, une illustration montre la configuration expérimentale développée à l'Université Rice pour étudier l'effet de la façon dont le courant incite les plasmons de surface localisés (LSP) à produire des porteurs chauds dans le nanogap entre deux électrodes. Centre, une photo montre une jonction tunnel électroluminescente entre deux électrodes en or avec une entrée de 1 à 1,2 volts. En bas, un tracé spectrographique montre l'énergie et l'intensité des photons produits à la jonction. Crédit :Groupe de recherche Natelson/Université Rice
Les chercheurs ont formé plusieurs métaux en microscopiques, électrodes en forme de nœud papillon avec nanogaps, un banc d'essai développé par le laboratoire qui leur permet d'effectuer simultanément le transport d'électrons et la spectroscopie optique. L'or était la plus performante parmi les électrodes qu'ils ont essayées, y compris des composés avec du chrome et du palladium amortissant les plasmons choisis pour aider à définir la part des plasmons dans le phénomène.
"Si le seul rôle des plasmons est d'aider à coupler la lumière, alors la différence entre travailler avec de l'or et quelque chose comme le palladium pourrait être un facteur de 20 ou 50, " a déclaré Natelson. " Le fait que ce soit un facteur de 10, 000 vous dit qu'il se passe quelque chose de différent."
La raison semble être que les plasmons se désintègrent "presque immédiatement" en électrons chauds et en trous, il a dit. "Ce barattage continu, utiliser le courant pour donner un coup de pied au matériau pour générer plus d'électrons et de trous, nous donne cette distribution à chaud en régime permanent des porteurs, et nous avons pu le maintenir pendant des minutes à la fois, " a déclaré Natelson.
A travers le spectre de la lumière émise, les mesures des chercheurs ont révélé que ces porteurs chauds sont vraiment chauds, atteindre des températures supérieures à 3, 000 degrés Fahrenheit tandis que les électrodes restent relativement froides, même avec une entrée modeste d'environ 1 volt.
Natelson a déclaré que la découverte pourrait être utile dans le progrès de l'optoélectronique et de l'optique quantique, l'étude des interactions lumière-matière à des échelles extrêmement petites. "Et du côté de la chimie, cette idée que vous pouvez avoir des porteurs très chauds est excitante, " dit-il. " Cela implique que certains processus chimiques peuvent s'exécuter plus rapidement que d'habitude.
« Il y a beaucoup de chercheurs intéressés par la photocatalyse plasmonique, où tu fais briller la lumière, excitent les plasmons et les porteurs chauds de ces plasmons font une chimie intéressante, " dit-il. " Cela complète cela. En principe, vous pourriez exciter électriquement les plasmons et les porteurs chauds qu'ils produisent peuvent faire une chimie intéressante."
