Discovery открывает “горячие” электроны для более эффективного использования энергии

Но ученые не смогли измерить энергии этих электронов, что ограничивает их использование. Исследователи из Университета Пердью и Мичиганского университета создали способ анализа этих энергий.
«Было много теоретических моделей горячих электронов, но не было прямых экспериментов или измерений того, как они выглядят», – сказал Владимир «Влад» Шалаев (shal-AYV), Боб из Университета Пердью и заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники Энн Бернетт, которые руководил командой Purdue в этой совместной работе.
В статье, опубликованной в журнале Science в четверг (4 июня), исследователи продемонстрировали, как метод, использующий сканирующий туннельный микроскоп, интегрированный с лазерами и другими оптическими компонентами, выявляет распределение энергии горячих электронов.

"Измерение распределения энергии означает определение количества электронов, доступных при определенном количестве энергии. Этой важной информации для расширения использования горячих электронов не хватало », – сказал Харша Редди, доктор философии.D. студент школы электротехники и вычислительной техники Purdue и ведущий автор этой статьи.
Горячие электроны обычно генерируются путем излучения света определенной частоты на тщательно спроектированную наноструктуру из металлов, таких как золото или серебро, возбуждая так называемые «поверхностные плазмоны»."Считается, что эти плазмоны в конечном итоге теряют часть своей энергии на электроны, делая их горячими.

Хотя горячие электроны могут иметь температуру до 2000 градусов по Фаренгейту, именно их высокая энергия, а не температура материала, делает их полезными для энергетических технологий. В солнечных панелях энергия горячих электронов может быть более эффективно преобразована в электрическую по сравнению с традиционными подходами.
Горячие электроны также могут повысить эффективность энергетических технологий, таких как водородные топливные элементы в автомобилях, за счет ускорения химических реакций.
"В типичной химической реакции реагентам необходимо иметь достаточно энергии, чтобы преодолеть пороговое значение для завершения реакции.

Если у вас есть эти высокоэнергетические электроны, некоторые из них будут терять свою энергию из-за реагентов и толкать их через этот порог, ускоряя химическую реакцию », – сказал Редди.
Редди работал с Кун Вангом, докторантом в группе Мичиганского университета под руководством профессоров Эдгара Мейхофера и Прамода Редди, которые руководили исследованиями.

Вместе они потратили более 18 месяцев на разработку экспериментальной установки и еще 12 месяцев на измерение энергии горячих электронов.
Исследователи создали систему, которая позволила им обнаружить разницу в токах заряда, генерируемых с возбуждением плазмонов и без него.

Эта разница в токах содержит важную информацию, необходимую для определения распределения энергии горячих электронов в металлической наноструктуре.
Если направить лазерный луч на золотую пленку с крошечными выступами, в системе возбуждаются плазмоны, генерирующие горячие электроны. Исследователи измерили энергии электронов, втягивая их через тщательно спроектированные молекулы в золотой электрод на кончике сканирующего туннельного микроскопа. Исследователи из Ливерпульского университета синтезировали некоторые молекулы для этих экспериментов.

Этот метод можно использовать для улучшения широкого спектра приложений, связанных с энергетикой.
"Это междисциплинарное фундаментальное исследование проливает свет на уникальный способ измерения энергии носителей заряда. Ожидается, что эти результаты сыграют решающую роль в разработке будущих приложений в области преобразования энергии, фотокатализа и фотодетекторов, например, которые представляют большой интерес для Министерства обороны ", – сказал Чакрапани Варанаси, руководитель программы Управления армейских исследований, который поддержал это исследование.
Работа также была поддержана U.S.

Министерство энергетики США.S. Управление военно-морских исследований и Управление научных исследований ВВС.

Пластиковые машины