04 يونيو 2020 (أخبار Nanowerk) تتمتع الإلكترونات "الساخنة" ذات الطاقة العالية بالقدرة على مساعدة الألواح الشمسية في حصاد الطاقة الضوئية بكفاءة أكبر. لكن العلماء لم يتمكنوا من قياس طاقات تلك الإلكترونات ، مما يحد من استخدامها. بنى باحثون في جامعة بوردو وجامعة ميشيغان طريقة لتحليل تلك الطاقات. قال فلاديمير "فلاد" شلايف (shal-AYV) ، أستاذ بوب وآن بورنيت المتميز في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات ، "كان هناك العديد من النماذج النظرية للإلكترونات الساخنة ولكن لا توجد تجارب أو قياسات مباشرة لما تبدو عليه" قاد فريق Purdue في هذا العمل التعاوني. في ورقة نشرت في المجلة علوم ("تحديد توزيعات طاقة الناقل الساخن للبلازمونيك عبر قياسات نقل جزيء واحد") ، أوضح الباحثون كيف تكشف تقنية تستخدم مجهر مسح نفقي متكامل مع الليزر والمكونات الضوئية الأخرى عن توزيع الطاقة للإلكترونات الساخنة.
طور الباحثون تقنية تستخدم مجهرًا نفقيًا مسحًا مدمجًا مع الليزر والمكونات الضوئية الأخرى لاحتجاز الجزيئات المناسبة وقياس توزيع الطاقة للإلكترونات الساخنة في فيلم ذهبي رقيق. (رسم توضيحي من قبل إنريكي ساهاغون) “قياس توزيع الطاقة يعني تحديد عدد الإلكترونات المتاحة بكمية معينة من الطاقة. قال هارشا ريدي ، دكتوراه. طالب في كلية بوردو للهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات ومؤلف رئيسي مساهم على قدم المساواة في هذه الورقة.
يتم توليد الإلكترونات الساخنة عادة من خلال تسليط تردد معين من الضوء على بنية نانوية مصممة بعناية من معادن مثل الذهب أو الفضة ، ما يسمى بـ "البلازما السطحية" المثيرة. يعتقد أن هذه البلازما تفقد في النهاية بعض طاقتها للإلكترونات ، مما يجعلها ساخنة.
بينما يمكن أن تصل درجات حرارة الإلكترونات الساخنة إلى 2,000 درجة فهرنهايت ، فإن طاقتها العالية - وليس درجة حرارة المواد - هي ما يجعلها مفيدة لتقنيات الطاقة. في الألواح الشمسية ، يمكن تحويل الطاقات من الإلكترونات الساخنة بكفاءة أكبر إلى طاقة كهربائية مقارنة بالطرق التقليدية.
يمكن للإلكترونات الساخنة أيضًا تحسين كفاءة تكنولوجيا الطاقة مثل خلايا الوقود القائمة على الهيدروجين في السيارات عن طريق تسريع التفاعلات الكيميائية.
"في تفاعل كيميائي نموذجي ، تحتاج المواد المتفاعلة إلى طاقة كافية لتجاوز عتبة إكمال التفاعل. إذا كان لديك هذه الإلكترونات عالية الطاقة ، فإن بعض الإلكترونات ستفقد طاقتها للمتفاعلات وتدفعها عبر هذه العتبة ، مما يجعل التفاعل الكيميائي أسرع ، "قال ريدي.
عمل ريدي مع كون وانج ، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة جامعة ميشيغان تحت إشراف الأستاذين إدغار مايهوفر وبرامود ريدي ، اللذين شاركا في قيادة جهود البحث. قضوا معًا أكثر من 18 شهرًا في تطوير الإعداد التجريبي و 12 شهرًا أخرى في قياس طاقات الإلكترون الساخنة.
قام الباحثون ببناء نظام يسمح لهم باكتشاف الفرق في تيارات الشحن المتولدة مع وبدون إثارة البلازمونات. يحتوي هذا الاختلاف في التيارات على المعلومات الحاسمة اللازمة لتحديد توزيع الطاقة للإلكترونات الساخنة في البنية النانوية المعدنية.
يؤدي تسليط ضوء ليزر على غشاء ذهبي بحواف صغيرة إلى إثارة البلازمونات في النظام ، مما يولد إلكترونات ساخنة. قام الباحثون بقياس طاقات الإلكترونات عن طريق سحبها من خلال جزيئات مصممة بعناية إلى قطب كهربائي ذهبي عند طرف مجهر مسح نفقي. قام باحثون في جامعة ليفربول بتصنيع بعض الجزيئات لهذه التجارب.
يمكن استخدام هذه الطريقة لتعزيز مجموعة واسعة من التطبيقات المتعلقة بالطاقة.
“هذا الجهد البحثي الأساسي متعدد التخصصات يلقي الضوء على طريقة فريدة لقياس طاقة حاملات الشحنة.
