美科学家揭秘高能效“热”电子

日期:2020-06-14 19:56:39

参考消息网6月7日报道英国科学新闻网站称,高能“热”电子有望帮助太阳能电池板更有效地收集光能。但一直以来科学家都无法测量那些电子的能量,致使对它们的利用受限。美国珀杜大学和密歇根大学的研究人员发明了一种分析这些能量的方法。

珀杜大学电子与计算机工程学院特聘教授弗拉基米尔·沙拉耶夫说:“热电子的理论模型很多,但关于它们长什么样从未有过直接实验或测量。”沙拉耶夫在这项合作研究中负责珀杜大学团队。

在6月4日出版的美国《科学》周刊上发表的一篇论文中,研究人员演示了利用扫描隧道显微镜结合激光和其他光学元件的技术揭示热电子能量分布的一种方法。

珀杜大学电子与计算机工程学院博士生、论文的主要撰稿人哈沙·雷迪说:“测量能量分布意味着量化一定能量下的电子数量。”

热电子的产生途径通常是用特定频率的光照在纳米结构的金或银等金属上面,激发所谓“表面等离子体”。据信,这些等离子体最终会失掉部分能量给电子,使电子变得炽热。

热电子的温度可高达约1100摄氏度,但让它们对能源技术有用的是其高能,不是材料温度。在太阳能电池板中,与传统方法相比,热电子的能量可以更有效地转化为电能。

雷迪说:“在典型的化学反应中,反应物需要有足够的能量越过一个阈值才能完成反应。如果有这些高能电子,有些电子就会失掉能量给反应物,推动它们越过那个阈值,从而使化学反应加快。”

与雷迪合作的是密歇根大学埃德加·迈霍费尔教授和普拉莫德·雷迪教授课题组的博士后王坤(音)。他们一起花了超过18个月的时间开发实验装置,又花了一年时间测量热电子的能量。

报道称,研究人员建立了一个系统,借此研究电荷电流在激发和不激发等离子体的条件下的差别。根据电流的这种差别所包含的关键信息,就能确定金属纳米结构中热电子的能量分布。

把激光照射到有小凸起的黄金薄膜上,就会在这个系统中激发等离子体,从而产生热电子。研究人员把热电子导入扫描隧道显微镜顶端的金电极,并对其能量进行测量。

美国陆军研究处项目经理查克拉帕尼·瓦拉纳西对这项研究给予了支持。他说:“这项多学科基础研究揭示了一个测量电荷载体能量的独特方式。估计这些研究成果会在开发未来应用方面起到重要作用,比如能源转化、光催化和光电探测器等,国防部对这些都很感兴趣。”

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