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電漿子結構能將光轉換成電

公告類型: 奈米新知
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美國與歐洲科學家最近發展出一種讓固體照光就能產生電壓的新方法。這種新系統不像光伏元件得仰賴半導體材料,而是靠金屬奈米結構產生的表面電漿子(surface plasmon)。該團隊目前正在製作能將光轉換成電能的新型元件。

表面電漿子是金屬表面電子與光交互作用產生的集體激發,是光子與電子界面間極具技術重要性的研究課題。此交互作用在電漿子共振頻率時最強,而此頻率取決於樣品的大小、形狀及電荷密度。2009年澳洲墨爾本大學的Paul Mulvaney等人發現藉由在金奈米微粒上施加電壓來注入或移除電子,可以調節電漿子共振頻率。

最近,加州理工學院的Harry Atwater等人及荷蘭的研究伙伴發現這個現象可以反過來操作─利用照光改變奈米微粒的電荷密度,可以感應產生表面電壓。該團隊將電漿子共振波長為550 nm的金奈米棒附著在氧化銦錫(ITO)基板上,然後以波長可從480 nm調變至650 nm的雷射照射樣品,並以原子力顯微鏡(AFM)的導電探針尖端量測金樣品表面產生的電壓。

感應電壓出現在雷射光頻率大於或小於表面電漿子共振頻率時,波長低於550 nm時為負電壓,高於時則為正電壓,而且電壓大小與光吸收率隨頻率的變化有關,最大電壓出現在入射光波長500 nm時。Atwater認為這是因為結構會調整其電荷密度以便與入射光產生共振,好讓自由能降至最低。研究人員稱此即為電漿致電效應(plasmoelectric effect)

該團隊根據此模型預測最大電壓出現的頻率,結果與實驗大致相符。為驗證此模型的適用性,他們也在不同電漿子材料上測試,例如玻璃基板上具有週期性孔洞(孔徑10 μm)的金膜,結果同樣觀察到電漿致電效應,電壓及峰值都符合模型預測

該團隊目前正在開發照光就能提供有用電能的元件,做為太陽電池之用。Atwater指出,單一材料構成的太陽電池只能將能量高於其能隙的光子轉換成電,他們的元件可以透過設計讓共振頻率落在想要的波段,因此放在傳統太陽電池之後來蒐集紅外光。詳見近期的Science |  DOI: 10.1126/science.1258405


原始網站:https://nano.nchc.org.tw/index.php?apps=news&mod=welcome&action=show&gid=990
譯者/譯者服務單位:奈米科學網編譯   責任編輯:蔡雅芝 
發布日期: 2014/11/06
發布人員: 王芊樺