Корейские ученые совершили прорыв в области плазмонной фотоэлектрохимии, разработав метод, позволяющий значительно продлить время жизни плазмонных «горячих дырок» и усилить их поток. Это открытие, опубликованное в престижном журнале Science Advances (2025), приближает коммерциализацию высокоэффективных технологий преобразования света в энергию нового поколения.
Исследовательская группа под руководством заслуженного профессора Чон Ён Парка из Департамента химии Корейского института передовых технологий (KAIST) в сотрудничестве с профессором Мунсан Ли из Департамента материаловедения и инженерии Университета Инха разработала инновационный подход к решению одной из ключевых проблем плазмоники.
Плазмонные «горячие носители» генерируются при взаимодействии света с металлическими наноструктурами. Особенно важны «горячие дырки», которые могут значительно улучшить фотоэлектрохимические реакции. Однако до сих пор главным препятствием было то, что эти «горячие дырки» обычно термически рассеиваются в течение пикосекунд (триллионных долей секунды), что ограничивало их практическое применение.
Для решения этой проблемы ученые разработали специальную нанодиодную структуру, используя металлическую наносетку, размещенную на специализированной полупроводниковой подложке из нитрида галлия p-типа. Такая конструкция значительно облегчает извлечение «горячих дырок» на поверхности материала.
Процесс изготовления этой структуры включал несколько этапов: сначала монослой полистироловых нанобусин размещался на подложке из нитрида галлия (p-GaN), затем полистироловые нанобусины протравливались для формирования шаблона наносетки. После этого наносился золотой нанослой толщиной 20 нм, а протравленные полистироловые нанобусины удалялись. В результате получалась золотая наносетчатая структура на подложке из GaN.
Результаты исследования показали, что поток «горячих дырок» был усилен примерно в два раза в подложках из нитрида галлия, ориентированных в направлении извлечения «горячих дырок». Золотая наносетка демонстрировала сильное поглощение света в видимом диапазоне благодаря эффекту плазмонного резонанса.
Для анализа потока «горячих дырок» в реальном времени на наномасштабном уровне исследователи использовали систему картирования фототока на основе фотопроводящей атомно-силовой микроскопии (pc-AFM). Они обнаружили, что активация «горячих дырок» была наиболее сильной в «горячих точках», где свет концентрировался на золотой наносетке. Кроме того, модификация направления роста подложки из нитрида галлия позволила расширить активацию «горячих дырок» за пределы этих «горячих точек».
Это исследование открывает эффективный метод преобразования света в электрическую и химическую энергию. Ожидается, что данная технология значительно продвинет разработку солнечных элементов нового поколения, фотокатализаторов, технологий производства водорода и ультраминиатюрных оптоэлектронных устройств, включая оптические сенсоры и наномасштабные полупроводниковые компоненты.
Профессор Парк отметил: «Наша технология позволяет эффективно использовать энергию света, которая ранее терялась из-за быстрого рассеивания 'горячих дырок'. Это открывает новые горизонты для создания высокоэффективных устройств преобразования энергии».
Результаты исследования подтверждают, что направленное управление плазмонными «горячими дырками» может стать ключевым фактором в развитии устойчивых энергетических технологий будущего, обеспечивая более эффективное использование солнечного света и уменьшая зависимость от ископаемых видов топлива.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследовательская группа под руководством заслуженного профессора Чон Ён Парка из Департамента химии Корейского института передовых технологий (KAIST) в сотрудничестве с профессором Мунсан Ли из Департамента материаловедения и инженерии Университета Инха разработала инновационный подход к решению одной из ключевых проблем плазмоники.
Плазмонные «горячие носители» генерируются при взаимодействии света с металлическими наноструктурами. Особенно важны «горячие дырки», которые могут значительно улучшить фотоэлектрохимические реакции. Однако до сих пор главным препятствием было то, что эти «горячие дырки» обычно термически рассеиваются в течение пикосекунд (триллионных долей секунды), что ограничивало их практическое применение.
Для решения этой проблемы ученые разработали специальную нанодиодную структуру, используя металлическую наносетку, размещенную на специализированной полупроводниковой подложке из нитрида галлия p-типа. Такая конструкция значительно облегчает извлечение «горячих дырок» на поверхности материала.
Процесс изготовления этой структуры включал несколько этапов: сначала монослой полистироловых нанобусин размещался на подложке из нитрида галлия (p-GaN), затем полистироловые нанобусины протравливались для формирования шаблона наносетки. После этого наносился золотой нанослой толщиной 20 нм, а протравленные полистироловые нанобусины удалялись. В результате получалась золотая наносетчатая структура на подложке из GaN.
Результаты исследования показали, что поток «горячих дырок» был усилен примерно в два раза в подложках из нитрида галлия, ориентированных в направлении извлечения «горячих дырок». Золотая наносетка демонстрировала сильное поглощение света в видимом диапазоне благодаря эффекту плазмонного резонанса.
Для анализа потока «горячих дырок» в реальном времени на наномасштабном уровне исследователи использовали систему картирования фототока на основе фотопроводящей атомно-силовой микроскопии (pc-AFM). Они обнаружили, что активация «горячих дырок» была наиболее сильной в «горячих точках», где свет концентрировался на золотой наносетке. Кроме того, модификация направления роста подложки из нитрида галлия позволила расширить активацию «горячих дырок» за пределы этих «горячих точек».
Это исследование открывает эффективный метод преобразования света в электрическую и химическую энергию. Ожидается, что данная технология значительно продвинет разработку солнечных элементов нового поколения, фотокатализаторов, технологий производства водорода и ультраминиатюрных оптоэлектронных устройств, включая оптические сенсоры и наномасштабные полупроводниковые компоненты.
Профессор Парк отметил: «Наша технология позволяет эффективно использовать энергию света, которая ранее терялась из-за быстрого рассеивания 'горячих дырок'. Это открывает новые горизонты для создания высокоэффективных устройств преобразования энергии».
Результаты исследования подтверждают, что направленное управление плазмонными «горячими дырками» может стать ключевым фактором в развитии устойчивых энергетических технологий будущего, обеспечивая более эффективное использование солнечного света и уменьшая зависимость от ископаемых видов топлива.
