Los electrones "calientes" altamente energéticos tienen el potencial de ayudar a los paneles solares a recolectar más eficientemente la energía de la luz.
Pero los científicos no han podido medir las energías de esos electrones, lo que limita su uso. Los investigadores de la Universidad de Purdue y la Universidad de Michigan crearon una forma de analizar esas energías.
"Ha habido muchos modelos teóricos de electrones calientes pero no hay experimentos directos o mediciones de cómo se ven", dijo Vladimir "Vlad" Shalaev shal-AYV, profesor distinguido de la Universidad de Purdue Bob y Anne Burnett de Ingeniería Eléctrica e Informática, que dirigió el equipo de Purdue en este trabajo colaborativo.
en un artículo publicado en la revista ciencia el jueves 4 de junio, los investigadores demostraron cómo una técnica que utiliza un microscopio de túnel integrado con láseres y otros componentes ópticos revela la distribución de energía de los electrones calientes.
"Medir la distribución de energía significa cuantificar cuántos electrones están disponibles en una cierta cantidad de energía. Faltaba esa información crucial para expandir el uso de electrones calientes", dijo Harsha Reddy, estudiante de doctorado en la Escuela de Purdue deIngeniería eléctrica e informática y un autor principal igualmente colaborador en este documento.
Los electrones calientes generalmente se generan al hacer brillar una cierta frecuencia de luz en una nanoestructura cuidadosamente diseñada hecha de metales como el oro o la plata, excitantes llamados "plasmones de superficie". Se cree que estos plasmones eventualmente pierden parte de su energía en los electrones, haciéndolos calientes.
Si bien los electrones calientes pueden tener temperaturas de hasta 2,000 grados Fahrenheit, es su alta energía, en lugar de la temperatura del material, lo que los hace útiles para las tecnologías energéticas. En los paneles solares, las energías de los electrones calientes podrían convertirse de manera más eficiente enenergía eléctrica en comparación con los enfoques convencionales.
Los electrones calientes también podrían mejorar la eficiencia de la tecnología energética, como las celdas de combustible a base de hidrógeno en los automóviles al acelerar las reacciones químicas.
"En una reacción química típica, los reactivos necesitan tener suficiente energía para cruzar un umbral para completar la reacción. Si tiene estos electrones de alta energía, algunos de los electrones perderían su energía en los reactivos y los empujaríanumbral, haciendo que la reacción química sea más rápida ", dijo Reddy.
Reddy trabajó con Kun Wang, un investigador postdoctoral en un grupo de la Universidad de Michigan bajo los profesores Edgar Meyhofer y Pramod Reddy, quienes codirigieron el esfuerzo de investigación. Juntos, pasaron más de 18 meses desarrollando la configuración experimental y otros 12 meses midiendolas energías de electrones calientes
Los investigadores construyeron un sistema que les permitió detectar la diferencia en las corrientes de carga generadas con y sin excitar los plasmones. Esta diferencia en las corrientes contiene la información crucial necesaria para determinar la distribución de energía de los electrones calientes en la nanoestructura metálica.
El brillo de una luz láser sobre una película dorada con pequeñas crestas excita los plasmones en el sistema, generando electrones calientes. Los investigadores midieron las energías de los electrones dibujándolos a través de moléculas cuidadosamente diseñadas en un electrodo dorado en la punta de un microscopio de túnel de barridoLos investigadores de la Universidad de Liverpool sintetizaron algunas de las moléculas para estos experimentos.
Este método podría usarse para mejorar una amplia gama de aplicaciones relacionadas con la energía.
"Este esfuerzo de investigación básica multidisciplinaria arroja luz sobre una forma única de medir la energía de los portadores de carga. Se espera que estos resultados desempeñen un papel crucial en el desarrollo de aplicaciones futuras en conversión de energía, fotocatálisis y fotodetectores, por ejemplo, que son de gran utilidadinterés para el Departamento de Defensa ", dijo Chakrapani Varanasi, gerente de programa de la Oficina de Investigación del Ejército, que apoyó este estudio.
El trabajo también fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., La Oficina de Investigación Naval de EE. UU. Y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Original escrito por Kayla Wiles. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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