Een scanning tunneling microscoop wordt gebruikt om de dynamiek van hete elektronen te bestuderen door middel van manipulatie van één molecuul. Krediet: Adrian Hooper
Natuurkundigen van de Universiteit van Bath hebben een nieuwe manier ontwikkeld om kwantitatieve informatie te extraheren uit ultramoderne experimenten met één molecuul. Met behulp van deze kwantitatieve informatie kunnen de onderzoekers de ultrasnelle fysica van “hete” elektronen op oppervlakken onderzoeken – dezelfde fysica die de efficiëntie van op silicium gebaseerde zonnecellen regelt en beperkt.
Zonnecellen werken door licht om te zetten in elektronen, waarvan de energie kan worden opgevangen en geoogst. Een hete zonnecel is een nieuw type cel dat zonlicht efficiënter omzet in elektriciteit dan conventionele zonnecellen. De efficiëntie van dit proces wordt echter beperkt door de creatie van energetische of “hete” elektronen die een extreem korte levensduur hebben en het grootste deel van hun energie aan hun omgeving verliezen binnen de eerste paar femtoseconden na hun creatie (1 femtoseconde is gelijk aan 1/1.000.000.000.000.000 van een seconde).
De ultrakorte levensduur van hete elektronen en de bijbehorende korte afstand die ze kunnen afleggen, betekent dat het onderzoeken en beïnvloeden van de eigenschappen van hete elektronen experimenteel uitdagend is. Tot op heden zijn er een paar technieken geweest die deze uitdagingen kunnen omzeilen, maar geen enkele heeft bewezen in staat te zijn tot ruimtelijke resolutie – wat betekent dat ze ons niets kunnen vertellen over het cruciale verband tussen de atomaire structuur van een materiaal en de dynamiek van hete elektronen in dat materiaal. .
Een doelwit manipuleren
De onderzoekers van Bath’s Department of Physics bestudeerden hete elektronen met behulp van een scanning tunneling microscope (STM). Dit apparaat is ontworpen om individuele atomen en moleculen in beeld te brengen. Door een kleine elektrische stroom (een bundel hete elektronen) in een enkel doelmolecuul te injecteren, kan het apparaat ook een doel manipuleren: het verplaatsen, roteren, een chemische binding verbreken of een nieuwe chemische binding maken.
Atomaire manipulatie is de ultieme limiet van nanowetenschap en chemie van één molecuul. Dit zijn de gebieden van de natuurkunde die materie op atomaire of moleculaire schaal gebruiken om de elektrische, optische, thermische en mechanische eigenschappen van materialen te bestuderen. Tot op heden is atomaire manipulatie gebruikt om (onder andere) moleculaire machines te ontwikkelen (waarbij bijvoorbeeld een molecuul roteert wanneer een stroom van elektronen wordt toegepast) en lichtemitters met één molecuul (de kleinst mogelijke organische lichtgevende diodes).
De wetenschap op zijn kop zetten
De Bath-wetenschappers hebben traditionele experimenten echter op hun kop gezet. In plaats van een elektronenstraal te gebruiken om te meten en te controleren wat het doelmolecuul doet, hebben ze de moleculen gebruikt om te meten wat de elektronen zelf doen.
“We hebben reacties van één molecuul gebruikt als een sonde voor het lot van de hete elektronen in de eerste paar femtoseconden van hun leven – voordat ze hun energie aan hun omgeving verliezen”, legt Dr. Kristina Rusimova van de afdeling Natuurkunde uit, die leidde het onderzoek.
Dit werk opent een nieuwe route voor het kwantitatief en nauwkeurig meten van hete-elektronenprocessen en het beheersen ervan. Gehoopt wordt dat het na verloop van tijd zal bijdragen aan het nieuwe veld van hete zonnecellen, waar het doel is om de energie van een elektron dat in een fotovoltaïsche cel is gecreëerd op te vangen voordat het binnen de kleine eerste paar femtoseconden van energie aan zijn omgeving heeft verloren. zijn bestaan.
De studie is gepubliceerd in Vooruitgang op nanoschaal.
Dr. Peter Sloan, de Bath Physics-onderzoeker die het experiment ontwierp en het model construeerde waarop dit onderzoek was gebaseerd, zei: “Nieuw begrip van de processen die ten grondslag liggen aan het lot van elementaire ladingen is een van de belangrijkste bijdragen aan de nanowetenschap. Moleculaire nanosonde-experimenten nieuwe, voorheen onontdekte manieren openen om te kijken naar het gedrag van hete ladingsdragers op hun relevante atomaire lengteschalen.”
Dr. Rusimova voegde hieraan toe: “Door middel van state-of-the-art, rigoureuze en uitgebreide experimenten hebben we het fysieke mechanisme geïdentificeerd dat niet alleen verantwoordelijk is voor het ladingstransport over een siliciumoppervlak, maar ook voor de laatste manipulatiestap, waarbij een molecuul wordt geëxciteerd door een elektron wordt uit het siliciumoppervlak geworpen, maar cruciaal pas nadat het hete elektron zijn overtollige thermische energie al heeft verloren. Voor het eerst hebben we de energieafhankelijkheid van deze manipulatiestap gekoppeld aan de onderliggende elektronische bandstructuur aan het oppervlak.”
Intrigerend genoeg is dit ook een startpunt voor het ontwerpen van andere, meer complexe materialen waarbij het mogelijk zou moeten zijn om het transport van hete elektronen te beheersen door bijvoorbeeld defecten te creëren om opzettelijk het energielandschap van het materiaal te veranderen, of door de materiaaltemperatuur te reguleren.
Meer informatie:
Peter A. Sloan et al., Een zelfconsistent model om de oppervlakte-elektronische bandstructuur te koppelen aan de spanningsafhankelijkheid van door hete elektronen geïnduceerde moleculaire nanoprobe-experimenten, Vooruitgang op nanoschaal (2022). DOI: 10.1039/D2NA00644H
Aangeboden door de Universiteit van Bath
