Дослідники з EPFL створили першу детальну модель, що пояснює квантово-механічні ефекти, які викликають фотолюмінесценцію в тонких золотих плівках, прорив, який може сприяти розвитку сонячного палива та батарей.
Люмінесценція, процес, коли речовини випромінюють фотони під дією світла, давно спостерігається в напівпровідникових матеріалах, таких як кремній. Це явище полягає в тому, що електрони на нанорозмірі поглинають світло і згодом його повторно випромінюють. Така поведінка дає дослідникам цінну інформацію про властивості напівпровідників , роблячи їх корисними інструментами для дослідження електронних процесів, таких як у сонячних елементах.
У 1969 році вчені виявили, що всі метали певною мірою люмінесцують, але минулі роки не змогли дати чіткого розуміння того, як це відбувається. Відродження інтересу до цього випромінювання світла, викликане картографуванням температури нанорозміру та застосуванням фотохімії, знову розпалило дебати навколо його походження. Але відповідь була незрозумілою – досі.
«Ми розробили дуже високоякісні металеві золоті плівки, які дають нам унікальну можливість прояснити цей процес без змішуючих факторів попередніх експериментів», — каже Джулія Тальябуе, керівник Лабораторії нанонауки для енергетичних технологій (LNET) у Школі. інженерії.
У недавньому дослідженні, опублікованому в Light: Science and Applications , Tagliabue і команда LNET сфокусували лазерні промені на надзвичайно тонких (від 13 до 113 нанометрів) золотих плівках, а потім проаналізували отримане слабке світіння. Дані, отримані в результаті їхніх точних експериментів, були настільки детальними – і настільки несподіваними – що вони співпрацювали з теоретиками з Барселонського інституту науки і технологій, Університету Південної Данії та Політехнічного інституту Ренселера (США), щоб переробити та застосувати квантово-механічне моделювання. методи.
Комплексний підхід дослідників дозволив їм вирішити дискусію навколо типу люмінесценції, що виходить від плівок – фотолюмінесценції – яка визначається специфічним способом поведінки електронів та їх протилежно заряджених аналогів (дірок) у відповідь на світло. Це також дозволило їм створити першу повну, повністю кількісну модель цього явища в золоті, яку можна застосувати до будь-якого металу.
Несподівані квантові ефекти
Тальябу пояснює, що використовуючи тонку плівку монокристалічного золота, виготовлену за допомогою нової техніки синтезу, команда досліджувала процес фотолюмінесценції, роблячи метал все тоншим і тоншим. «Ми спостерігали певні квантово-механічні ефекти, що виникають у плівках приблизно до 40 нанометрів, що було неочікувано, тому що зазвичай для металу ви не бачите таких ефектів, доки ви не опуститесь значно нижче 10 нм», — каже вона.
Ці спостереження дали ключову просторову інформацію про те, де саме відбувався процес фотолюмінесценції в золоті, що є необхідною умовою для використання металу як зонда. Ще одним несподіваним результатом дослідження стало відкриття того, що фотолюмінесцентний (Стоксів) сигнал золота можна використовувати для вимірювання температури власної поверхні матеріалу – благо для вчених, які працюють на нанорозмірі.
«Для багатьох хімічних реакцій на поверхні металів точаться великі дебати про те, чому та за яких умов відбуваються ці реакції. Температура є ключовим параметром, але виміряти температуру на нанорозмірі надзвичайно складно, оскільки термометр може вплинути на ваше вимірювання. Таким чином, можливість досліджувати матеріал, використовуючи сам матеріал як зонд, є величезною перевагою», — говорить Тальябуе.
Золотий стандарт розробки сонячного палива
Дослідники вважають, що їхні висновки дозволять використовувати метали для отримання безпрецедентно детального розуміння хімічних реакцій, особливо тих, які використовуються в енергетичних дослідженнях. Такі метали, як золото та мідь – наступна ціль дослідження LNET – можуть викликати певні ключові реакції, як-от відновлення вуглекислого газу (CO2) назад у вуглецеві продукти, такі як сонячне паливо, яке накопичує сонячну енергію в хімічних зв’язках.
«Для боротьби зі зміною клімату нам так чи інакше знадобляться технології для перетворення CO2 в інші корисні хімічні речовини», — каже постдоктор LNET Алан Боуман, перший автор дослідження.
«Використання металів — один зі способів зробити це, але якщо ми не маємо хорошого розуміння того, як ці реакції відбуваються на їх поверхні, ми не зможемо їх оптимізувати. Люмінесценція пропонує новий спосіб зрозуміти, що відбувається в цих металах».