等离子体等离子纳米结构提供了一种从光中收集能量的新方法

时间：2021-09-18 09:25:00 来源：

研究人员制造了具有各种光电导特性的纳米结构。

研究人员使用由金颗粒和卟啉的光敏分子制成的材料，开发了一种从光中收集能量的新方法。

宾夕法尼亚大学的研究人员展示了一种从光中提取能量的新机制，这一发现可以改善利用太阳能发电的技术，并导致通信中使用的更高效的光电设备。

宾夕法尼亚大学研究副教务长，工程与应用科学学院材料科学与工程专业受托教授Dawn Bonnell与博士生David Conklin一起主持了这项工作。该研究涉及宾夕法尼亚大学其他研究人员之间通过纳米/生物界面中心的合作，以及与杜克大学的迈克尔·J·特里恩实验室的合作。

邦内尔说：“我们很高兴找到一种比常规光电导效率更高的工艺。”“使用这种方法可以使太阳能收集和光电设备变得更好。”

这项研究发表在《 ACS Nano》杂志上，并在今天在印第安纳波利斯举行的美国化学学会全国会议和展览会的新闻发布会上进行了讨论。

新工作集中在等离激元纳米结构上，特别是由金颗粒和卟啉的光敏分子制成的材料，尺寸精确且以特定的图案排列。在这些系统中，等离子或电子的集体振荡可以通过光辐射激发，并感应出可以按照金颗粒的大小和布局以及周围环境的电特性确定的模式移动的电流。。

因为这些材料可以增强光的散射，所以它们有潜力在一系列技术应用中获得优势，例如提高太阳能电池的吸收率。

在2010年，Bonnell及其同事在ACS Nano上发表了一篇论文，报道了等离子体纳米结构的制造，该等离子体结构诱导并投射了跨分子的电流。在某些情况下，他们使用Bonnell小组发明的技术（称为铁电纳米平版印刷术）设计了一系列金纳米颗粒材料。

这一发现具有潜在的强大作用，但科学家们无法证明光辐射向电流的传导改善是由于激发的等离子体激元产生的“热电子”。其他可能性包括卟啉分子本身被激发或电场可以聚焦入射光。

“我们假设，当等离激元被激发到高能态时，我们应该能够从材料中收集电子，” Bonnell说。“如果能够做到这一点，我们可以将它们用于分子电子设备的应用，例如电路组件或太阳能提取。”

为了检查等离子体激元感应电流的机理，研究人员系统地改变了等离子体纳米结构的不同组成部分，改变了金纳米颗粒的大小，卟啉分子的大小以及这些部分的间距。他们设计了排除其他可能性的特定结构，因此对增强光电流的唯一贡献可能是来自等离激元的热电子。

“在我们的测量中，与传统的光激发相比，我们发现过程效率提高了三到十倍，” Bonnell说。“而且我们甚至都没有优化系统。原则上，您可以预见效率将大大提高。”

可以通过改变纳米粒子的大小和间距来定制包含这种收集等离子体激元感应的热电子的过程的设备，以用于不同的应用，这将改变等离子体激元响应的光的波长。

“您可以想象笔记本电脑上的油漆就像太阳能电池一样，仅靠阳光就能为其供电，” Bonnell说。“这些材料还可以改善通信设备，成为高效分子电路的一部分。”

宾夕法尼亚大学的小组成员包括工程材料科学与工程系的Bonnell，Conklin，Sanjini Nanayakkara和Xi Chen，以及艺术与科学学院化学系的Tae-Hong Park。其他合著者包括苏黎世联邦理工学院的Marie F. Lagadec和杜克大学的Therien和Joshua T. Stecher。

该研究得到了美国能源部和国家科学基金会的支持。

出版物：David Conklin等人，“在分子电子设备中利用等离激元诱导的热电子”，ACS Nano，2013年，第7（5）页，第4479–4486页； DOI：10.1021 / nn401071d

图像：宾夕法尼亚大学

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