Дон Боннелл, вице-проректор Пенна по исследованиям и попечительский профессор материаловедения и инженерии в Школе инженерии и прикладных наук, руководила работой вместе с Дэвидом Конклином, докторантом. В исследовании участвовали дополнительные исследователи из Пенсильвании через Центр нано / биоинтерфейса, а также партнерство с лабораторией Майкла Дж. Териена из Университета Дьюка.
«Мы очень рады, что нашли процесс, который намного эффективнее, чем обычная фотопроводимость», — сказал Боннелл. «Использование такого подхода могло бы сделать устройства для сбора солнечной энергии и оптоэлектронные устройства намного лучше».Исследование было опубликовано в журнале ACS Nano и обсуждалось сегодня на пресс-конференции на Национальном собрании и выставке Американского химического общества в Индианаполисе.Новая работа сосредоточена на плазмонных наноструктурах, в частности, на материалах, изготовленных из золотых частиц и светочувствительных молекул порфина, точных размеров и расположенных в определенном порядке. Плазмоны, или коллективные колебания электронов, могут возбуждаться в этих системах оптическим излучением и индуцировать электрический ток, который может двигаться по схеме, определяемой размером и расположением золотых частиц, а также электрическими свойствами окружающей среды. .Поскольку эти материалы могут усиливать рассеяние света, они потенциально могут быть использованы в ряде технологических приложений, таких как увеличение поглощения в солнечных элементах.
В 2010 году Боннелл и его коллеги опубликовали в ACS Nano статью, в которой рассказывается о создании плазмонной наноструктуры, которая индуцирует и проецирует электрический ток через молекулы. В некоторых случаях они разработали материал, массив наночастиц золота, используя метод, изобретенный группой Боннелла, известный как сегнетоэлектрическая нанолитография.Открытие было потенциально мощным, но ученые не смогли доказать, что улучшенное преобразование оптического излучения в электрический ток произошло из-за «горячих электронов», создаваемых возбужденными плазмонами.
Другие возможности включали то, что сама молекула порфина была возбуждена или что электрическое поле могло фокусировать падающий свет.«Мы предположили, что, когда плазмоны возбуждаются до состояния высокой энергии, мы должны иметь возможность собирать электроны из материала», — сказал Боннелл. «Если бы мы могли это сделать, мы могли бы использовать их для приложений молекулярной электроники, таких как компоненты схем или извлечение солнечной энергии».Чтобы изучить механизм индуцированного плазмонами тока, исследователи систематически варьировали различные компоненты плазмонной наноструктуры, изменяя размер наночастиц золота, размер молекул порфина и расстояние между этими компонентами. Они разработали специальные структуры, которые исключили другие возможности, так что единственный вклад в усиленный фототок мог быть от горячих электронов, собранных из плазмонов.
«По нашим измерениям, по сравнению с обычным фотовозбуждением, мы увидели повышение эффективности нашего процесса в 3–10 раз», — сказал Боннелл. «И мы даже не оптимизировали систему. В принципе, вы можете предвидеть огромное повышение эффективности».
Устройства, включающие этот процесс сбора индуцированных плазмонами горячих электронов, могут быть настроены для различных приложений, изменяя размер и расстояние между наночастицами, что изменяет длину волны света, на которую реагирует плазмон.«Вы можете представить, что на вашем ноутбуке есть краска, которая действует как солнечный элемент, питая его только солнечным светом», — сказал Боннелл. «Эти материалы также могут улучшить устройства связи, став частью эффективных молекулярных цепей».
В команду Пенна входили Боннелл, Конклин, Санджини Нанаяккара и Си Чен из инженерного факультета материаловедения и инженерии и Тэ-Хонг Парк из химического факультета школы искусств. Среди других соавторов были Мари Ф. Лагадек из ETH Zurich и Therien и Джошуа Т. Стечер из Duke.