2020年6月5
高能量的“热电子”有潜力帮助太阳能电池板更有效地收集光能。
但科学家还无法测量这些电子的能量，这限制了它们的使用。普渡大学(Purdue University)和密歇根大学(University of Michigan)的研究人员建立了一种分析这些能量的方法。
“有很多关于热电子的理论模型，但没有直接的实验或测量它们的样子，”普渡大学电气与计算机工程Bob和Anne Burnett特约教授Vladimir“Vlad”Shalaev (shal-AYV)说，他领导了普渡大学团队的这项合作工作。
发表在期刊上的一篇论文中欧洲杯线上买球周四(6月4日)，研究人员展示了一项使用扫描隧道显微镜与激光和其他光学元件集成的技术如何揭示热电子的能量分布。
“测量能量分布意味着量化在一定的能量下有多少电子可用。对于扩大热电子的使用，这一关键信息是缺乏的。”普渡大学电气与计算机工程学院的博士生哈莎·雷迪说，她也是这篇论文的主要作者。
热电子通常是通过将特定频率的光照射在由金或银等金属制成的精心设计的纳米结构上产生的，激发所谓的“表面等离子体”。据信，这些等离子体最终会将部分能量输给电子，使它们变热。
虽然热电子的温度可以高达2000华氏度，但正是它们的高能量——而不是材料的温度——使它们在能源技术中有用。在太阳能电池板中，热电子的能量可以比传统方法更有效地转化为电能。
热电子还可以通过加速化学反应来提高能源技术的效率，比如汽车中的氢燃料电池。
“在一个典型的化学反应中，反应物需要有足够的能量来跨越一个门槛来完成反应。如果你有这些高能电子，一些电子会失去它们的能量给反应物，并推动它们越过那个门槛，使化学反应更快，”Reddy说。
雷迪与密歇根大学(University of Michigan)的博士后研究员王昆(Kun Wang)合作，后者是埃德加·梅霍弗(Edgar Meyhofer)教授和普拉蒙德·雷迪(Pramod Reddy)教授领导的一个小组的成员，他们共同领导了这项研究。他们一起花了18个多月的时间建立实验装置，又花了12个月的时间测量热电子能。
研究人员建立了一个系统，使他们能够检测在激发和不激发等离子体时产生的电荷电流的差异。这种电流的差异包含了确定金属纳米结构中热电子能量分布所需的关键信息。
用激光照射带有微小脊线的金色薄膜会激发系统中的等离子体，产生热电子。研究人员通过在扫描隧道显微镜顶端的金电极上画出经过精心设计的分子来测量电子的能量。利物浦大学的研究人员为这些实验合成了一些分子。
这种方法可用于加强与能源有关的广泛应用。
“这项多学科基础研究的努力为测量载流子能量提供了一种独特的方法。这些结果有望在未来发展能源转换、光催化和光探测器等方面的应用中发挥关键作用，这些都是国防部非常感兴趣的。”支持这项研究的陆军研究办公室的项目经理查克拉帕尼·瓦拉纳西说。
这项工作还得到了美国能源部、美国海军研究办公室和空军科学研究办公室的支持。
来源:https://www.purdue.edu/