Високоенергійні, «гарячі» електрони можуть допомогти сонячним панелям більш ефективно збирати світлову енергію.
Але раніше вчені не могли виміряти енергії цих електронів, обмеживши їх використання. Тепер дослідники з Університету Пердью і Мічиганського університету розробили спосіб аналізу цих енергій.
У статті, опублікованій в журналі Science, дослідники продемонстрували, як метод, що використовує скануючий тунельний мікроскоп, інтегрований з лазерами та іншими оптичними компонентами, виявляє розподіл енергії гарячих електронів.
"Вимірювання розподілу енергії означає визначення кількості електронів, доступних при певній кількості енергії. Ця найважливіша частина інформації була відсутня для розширення використання гарячих електронів ", - кажуть вчені.
Гарячі електрони зазвичай генеруються шляхом випромінювання певної частоти світла на ретельно спроектовану наноструктуру з металів, таких як золото або срібло, збуджуючи так звані «поверхневі плазмони». Вважається, що плазмони зрештою віддають частину своєї енергії електронам, роблячи їх гарячими.
Хоча температура гарячих електронів може досягати 1000 градусів за Цельсієм, саме їх висока енергія, а не температура матеріалу, робить їх корисними для енергетичних технологій. У сонячних панелях енергія гарячих електронів може бути більш ефективно перетворена в електричну енергію порівняно зі звичайними підходами.
Гарячі електрони також можуть підвищити ефективність енергетичних технологій, таких як паливні елементи на основі водню в автомобілях, прискорюючи хімічні реакції.
"У типовій хімічній реакції реактиви повинні мати достатньо енергії, щоб перетнути поріг для завершення реакції. Якщо у вас є високоенергетичні електрони, деякі з них втратять свою енергію для реагентів і штовхнуть їх через цей поріг, що прискорить хімічну реакцію ".
Дослідники витратили понад 18 місяців на розробку експериментальної установки і ще 12 місяців на вимірювання енергій гарячих електронів.
Вони побудували систему, яка дозволила виявити різницю в зарядових струмах, що генеруються при збудженні плазмонів і без нього. Ця різниця в струмах містить найважливішу інформацію, необхідну для визначення розподілу енергії гарячих електронів у металевій наноструктурі.
Випромінювання лазерного променя на золоту плівку з крихітними гребенями збуджує плазмони в системі, генеруючи гарячі електрони.
Дослідники вимірювали енергію електронів, проводячи їх через ретельно сконструйовані молекули в золотий електрод на кінчику скануючого тунельного мікроскопа.
Новий метод може бути використаний для розширення широкого спектру застосувань, пов'язаних з енергетикою.