В Стэнфордском университете разработано плазмонное устройство, предназначенное для преобразования энергии падающего излучения в энергию постоянного тока.
«Мы просто пытались найти альтернативу уже известным ректеннам и фотогальваническим элементам, — говорит один из участников исследования Николас Мелош (Nicholas Melosh). — Нужно сразу признать, что наши образцы уступают солнечным элементам по эффективности преобразования и, очевидно, не смогут их заменить».
Недостаточная эффективность отчасти компенсируется лёгкостью изготовления устройств, которые имеют простейшую структуру типа «металл — диэлектрик — металл». Когда на эту структуру падает излучение, фотоны поглощаются верхним и нижним металлическими электродами, что приводит к появлению «горячих» электронов. Некоторая часть последних преодолевает изоляционный барьер, создавая ток.
Несложно понять, что действительный постоянный ток можно получить только в том случае, если фототоки, протекающие между электродами в разных направлениях, будут неравны. Чтобы такое условие выполнялось, толщину одного электрода увеличивают, активизируя поглощение фотонов. К сожалению, эффективность этого метода не слишком велика, поскольку доля электронов, достигающих границы раздела металла и диэлектрика, снижается пропорционально росту толщины.
Слева показана схема опыта, в котором возбуждаются поверхностные плазмоны (SPs), справа — схема эксперимента с обычным прямым облучением устройства. Ниже приведены результаты измерений фототока, причём красным отмечены данные, относящиеся к правой схеме, а чёрным — к левой. (Иллюстрация из журнала Nano Letters.)
Американцы предложили своё решение проблемы: в их схеме структура «металл — диэлектрик — металл» дополняется призмой, с помощью которой в электродах возбуждаются поверхностные плазмоны. «Призма позволяет согласовать волновые векторы фотонов и поверхностных плазмонов, — поясняет другой участник работ Фумин Ван (Fuming Wang). — На практике вместо призмы удобнее будет использовать дифракционную решётку, нанесённую на один из электродов. Изменяя шаг решётки, можно возбуждать поверхностные плазмоны на любых длинах волн».
При поглощении созданных поверхностных плазмонов концентрация «горячих» носителей заряда в одном из электродов резко увеличивается, что, разумеется, положительно сказывается на характеристиках устройства. По расчётам авторов, в случае серебряных электродов и излучения с длиной волны в 640 нм эффективность может достигать 4,3%, а золотые электроды и 780-нанометровый свет дают максимальную эффективность в 3,5%. Возбуждение поверхностных плазмонов при инфракрасном облучении обеспечивает практически сорокакратный прирост эффективности преобразования.
Результаты вычислений были подтверждены в экспериментах с трёхслойными структурами из золота и оксида алюминия, электроды которых различались по толщине на 5 нм. Хотя зарегистрированные величины фототока и уступали теоретическим, выделить эффект от возбуждения плазмонов это не помешало.
По материалам: PhysOrg