Горячие электроны для более эффективного использования энергии

Высокоэнергичные, «горячие» электроны могут помочь солнечным панелям более эффективно собирать световую энергию.

Но ранее ученые не могли измерить энергии этих электронов, ограничив их использование. Теперь исследователи из Университета Пердью и Мичиганского университета разработали способ анализа этих энергий.

В статье, опубликованной в журнале Science, 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. Эта важнейшая часть информации отсутствовала для расширения использования горячих электронов», — говорят ученые.

Горячие электроны обычно генерируются путем излучения определенной частоты света на тщательно спроектированную наноструктуру из металлов, таких как золото или серебро, возбуждая так называемые «поверхностные плазмоны». Считается, что плазмоны в конечном итоге отдают часть своей энергии электронам, делая их горячими.

Хотя температура горячих электронов может достигать 1000 градусов по Цельсию, 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 энергию по сравнению с обычными подходами.

Горячие электроны также могут повысить эффективность энергетических технологий, таких как топливные элементы на основе водорода в автомобилях, ускоряя химические реакции.

«В типичной химической реакции реактивы должны иметь достаточно энергии, чтобы пересечь порог для завершения реакции. Если у вас есть высокоэнергетические электроны, некоторые из них потеряют свою энергию для реагентов и толкнут их через этот порог, что ускорит химическую реакцию».

Исследователи потратили более 18 месяцев на разработку экспериментальной установки и еще 12 месяцев на измерение энергий горячих электронов.

Они построили систему, которая позволила обнаружить разницу в зарядовых токах, генерируемых при возбуждении плазмонов и без него. Эта разница в токах содержит важнейшую информацию, необходимую для определения распределения энергии горячих электронов в металлической наноструктуре.

Излучение лазерного луча на золотую пленку с крошечными гребнями возбуждает плазмоны в системе, генерируя горячие электроны.

Исследователи измеряли энергию электронов, проводя их через тщательно сконструированные молекулы в золотой электрод на кончике сканирующего туннельного микроскопа.

Новый метод может быть использован для расширения широкого спектра применений, связанных с энергетикой.

«Determining plasmonic hot-carrier energy distributions via single-molecule transport measurements» Science (2020). science.sciencemag.org/lookup/ … 1126/science.abb3457