Peneliti membuat struktur nano dengan berbagai sifat fotokonduksi.
Menggunakan bahan yang dibuat dari partikel emas dan molekul porfiin yang peka terhadap cahaya, para peneliti telah mengembangkan metode baru untuk memanen energi dari cahaya.
Para peneliti dari University of Pennsylvania telah mendemonstrasikan mekanisme baru untuk mengekstraksi energi dari cahaya, sebuah temuan yang dapat meningkatkan teknologi untuk menghasilkan listrik dari energi matahari dan menghasilkan perangkat optoelektronik yang lebih efisien yang digunakan dalam komunikasi.
Dawn Bonnell, wakil rektor Penn untuk penelitian dan Profesor Wali Ilmu dan Teknik Material di School of Engineering and Applied Science, memimpin pekerjaan tersebut, bersama dengan David Conklin, seorang mahasiswa doktoral. Studi ini melibatkan kolaborasi antara peneliti Penn tambahan, melalui Pusat Antarmuka Nano/Bio, serta kemitraan dengan lab Michael J. Therien dari Duke University.
“Kami senang telah menemukan proses yang jauh lebih efisien daripada fotokonduksi konvensional,” kata Bonnell. “Menggunakan pendekatan seperti itu dapat membuat pemanenan energi matahari dan perangkat optoelektronik jauh lebih baik.”
Studi ini diterbitkan dalam jurnal ACS Nano dan dibahas pada konferensi pers di Pertemuan Nasional dan Pameran American Chemical Society di Indianapolis hari ini.
Pekerjaan baru berpusat pada struktur nano plasmonik, khususnya, bahan yang dibuat dari partikel emas dan molekul porfiin peka cahaya, dengan ukuran yang tepat dan diatur dalam pola tertentu. Plasmon, atau osilasi kolektif elektron, dapat tereksitasi dalam sistem ini oleh radiasi optik dan menginduksi arus listrik yang dapat bergerak dalam pola yang ditentukan oleh ukuran dan tata letak partikel emas, serta sifat listrik dari lingkungan sekitar. .
Karena bahan ini dapat meningkatkan hamburan cahaya, bahan ini memiliki potensi untuk digunakan dalam berbagai aplikasi teknologi, seperti meningkatkan penyerapan dalam sel surya.
Pada tahun 2010, Bonnell dan rekannya menerbitkan makalah di ACS Nano yang melaporkan pembuatan struktur nano plasmonik, yang menginduksi dan memproyeksikan arus listrik melintasi molekul. Dalam beberapa kasus, mereka merancang materi, susunan partikel nano emas, menggunakan teknik yang ditemukan oleh kelompok Bonnell, yang dikenal sebagai nanolitografi feroelektrik.
Penemuan ini berpotensi kuat, tetapi para ilmuwan tidak dapat membuktikan bahwa peningkatan transduksi radiasi optik ke arus listrik disebabkan oleh “elektron panas” yang dihasilkan oleh plasmon yang tereksitasi. Kemungkinan lain termasuk bahwa molekul porfiin itu sendiri tereksitasi atau medan listrik dapat memfokuskan cahaya yang masuk.
“Kami berhipotesis bahwa, ketika plasmon tereksitasi ke keadaan energi tinggi, kita seharusnya dapat memanen elektron dari bahan tersebut,” kata Bonnell. “Jika kita bisa melakukannya, kita bisa menggunakannya untuk aplikasi perangkat elektronik molekuler, seperti komponen sirkuit atau ekstraksi energi surya.”
Untuk memeriksa mekanisme arus yang diinduksi plasmon, para peneliti secara sistematis memvariasikan komponen berbeda dari struktur nano plasmonik, mengubah ukuran nanopartikel emas, ukuran molekul porfiin, dan jarak antar komponen tersebut. Mereka merancang struktur khusus yang mengesampingkan kemungkinan lain sehingga satu-satunya kontribusi untuk peningkatan arus foto dapat berasal dari elektron panas yang diambil dari plasmon.
“Dalam pengukuran kami, dibandingkan dengan fotoeksitasi konvensional, kami melihat peningkatan tiga hingga 10 kali lipat dalam efisiensi proses kami,” kata Bonnell. “Dan kami bahkan tidak mengoptimalkan sistemnya. Pada prinsipnya Anda dapat membayangkan peningkatan besar dalam efisiensi.”
Perangkat yang menggabungkan proses pemanenan elektron panas yang diinduksi plasmon ini dapat disesuaikan untuk aplikasi yang berbeda dengan mengubah ukuran dan jarak partikel nano, yang akan mengubah panjang gelombang cahaya yang ditanggapi oleh plasmon .
“Anda dapat membayangkan memiliki cat pada laptop Anda yang bertindak seperti sel surya yang hanya menggunakan sinar matahari,” kata Bonnell. “Bahan-bahan ini juga dapat meningkatkan perangkat komunikasi, menjadi bagian dari sirkuit molekuler yang efisien.”
Tim Penn termasuk Bonnell, Conklin, Sanjini Nanayakkara dan Xi Chen dari Departemen Teknik Ilmu dan Teknik Material dan Tae-Hong Park dari Departemen Kimia School of Arts and Sciences. Rekan penulis lainnya termasuk Marie F. Lagadec dari ETH Zurich dan Therien dan Joshua T. Stecher dari Duke.
Penelitian ini didukung oleh Departemen Energi AS dan National Science Foundation.
Publikasi : David Conklin, et al., “Exploiting Plasmon-Induced Hot Electrons in Molecular Electronic Devices,” ACS Nano, 2013, 7 (5), hlm 4479–4486; DOI: 10.1021/nn401071d
Gambar: Universitas Pennsylvania
