Используя уникальную комбинированную технологию, группа исследователей из Университета Нагоя в Японии проанализировала механизмы взаимодействия света и материи в наноматериалах на самых маленьких и быстрых уровнях.
Наноматериалы, размеры которых составляют наноразмеры от 1 до 100 нм, приобретают все большее значение как в промышленности, так и в повседневной жизни. Необычайно малый размер придает им уникальные свойства, которых нет у более крупных материалов. Эти свойства также специфичны для природы и окружающей среды материала. Чтобы расширить библиотеку наноматериалов, которые можно эффективно, безопасно и устойчиво применять в продуктах и производственных процессах, нам требуется более глубокое понимание даже мельчайших событий, происходящих на наночастицах и внутри них.
Для измерения наноматериалов ученые используют раздел метрологии, известный как нанометрология. Нанометрология измеряет масштабы длины в наномасштабе. Чтобы дать этому некоторый контекст, человеческий волос примерно в 100 000 раз шире. Когда частицы настолько малы, ученые должны также измерять события, которые происходят в течение простых долей секунды. Например, явление, называемое фотовозбуждением, обычно происходит за пикосекунды или одну триллионную долю секунды. Поэтому необходимы специальные устройства для измерения этих почти мгновенных событий.
Исследовательская группа под руководством преподавателей Университета Нагоя, доцента Макото Кувахара из Института материалов и систем устойчивого развития (IMaSS) и Лиры Мизуно, Рины Ёкои и Хидео Мориситы из Высшей инженерной школы, исследовала, могут ли они изучать такое фотовозбуждение. процессы, происходящие на одиночных наночастицах. В сотрудничестве со старшими исследователями Hitachi Hightech Ltd. они разработали сверхбыстрый электронный микроскоп, объединив полупроводниковый фотокатод с поверхностью с отрицательным сродством к электронам, впервые разработанной Университетом Нагоя, с электронным микроскопом общего назначения. Получив микроскоп, созданный путем объединения этих технологий, мы можем наблюдать события в наномасштабе. Исследователи опубликовали свои выводы в Applied Physics Letters.
Для наночастиц группа использовала химически синтезированные золотые нанотреугольники. Золото подходит для таких экспериментов, потому что это благородный металл. Это означает, что он стабилен в различных условиях. Электроны в наночастицах золота демонстрируют явление, называемое «плазмонным резонансом». Когда наночастица золота подвергается фотовозбуждению светом определенной длины волны, электроны в наночастице начинают двигаться или колебаться. Это усиливает свет, превращая наночастицу золота в яркую антенну. По этой причине поверхностные плазмоны на золоте регулярно используются для сенсорных приложений и представляют большой интерес для преобразования энергии.
Плазмоны в золотых наночастицах можно фотовозбуждать с помощью сверхбыстрого лазера в новом изготовленном на заказ сверхбыстром электронном микроскопе, одновременно позволяя ученым наблюдать за отдельными золотыми наночастицами. Исследователи исследовали два различных плазмонных явления, применяя свою новую технику. Сначала они наблюдали релаксацию плазмонов на поверхности, что является хорошо изученным процессом. Однако их новая техника также позволила им увидеть изменение плазмонов внутри золотых наночастиц, даже несмотря на то, что свет достигал только поверхности наночастиц. Впервые метод выявил процесс релаксации этих плазмонов внутри золотых наночастиц, что имеет важные последствия для подготовки светособирающих материалов для преобразования энергии. Недавно разработанный метод должен помочь анализировать потенциальные материалы, выявляя сверхбыстрые взаимодействия света и материи.
«Понимая такие явления, как процессы фотовозбуждения и релаксации и перенос энергии, мы можем улучшить светочувствительные свойства и повысить эффективность», — объясняет Кувахара. «В частности, это может быть мощным инструментом для регистрации индивидуальных изменений во времени в небольших конструкционных материалах с пространственным разрешением (например, тем, которые превышают субмикрометры). Этого было трудно достичь с помощью обычных аналитических методов с использованием импульсных лазеров в качестве зондов», — продолжил он. «Мы ожидаем, что это достижение позволит анализировать фотоэлектрические и термоэлектрические преобразовательные материалы и их прикладные устройства, которые способствуют энергосбережению. Наши исследования должны быть полезны для разработки преобразователей световой энергии, биосенсоров и устройств термоэлектрического преобразования».
Финансирование: это исследование было поддержано субсидией на научные исследования, фундаментальные исследования (A) (21H04637), которая началась в 2021 финансовом году.
Журнал
Письма по прикладной физике
Название статьи
Спектроскопия нестационарных электронных потерь энергии оптически стимулированных наночастиц золота с использованием пикосекундного импульсного электронного пучка
Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.
