科學家利用金奈米級系統將光轉變成電流

Scientists turn light into electrical current using a golden nanoscale system
http://www.physorg.com/news185223339.html

February 12, 2010

賓州大學 Nano/Bio Interface Center 的材料科學家在某種分子電路上證明光輻射到電流的換能（transduction，能量轉換）。這套系統 -- 奈米大小的金分子陣列 -- 藉由創造「在整個分子上感應（induce）與投射（project）電流」的表面電漿子（surface plasmons），來響應電磁波，類似光伏太陽能電池。

這些結果或能以一種自我供電的（可能是透過日光）、奈米大小的電路，為效率更高的能量收成提供一種技術性方法。最近，表面電漿子已被設計成各式各樣的光活化裝置，例如生物感應器。

這套系統也有可能用在資料儲存上。雖然傳統電腦處理器以二進位形態（不是開就是關）來代表資料，不過一部使用這種光伏電路的電腦也能以相符的光波長來儲存資料。

因為分子化合物能展現出廣泛的光學及電氣特性，故這項研究中的製造、測試與分析說明策略可成為一套新裝置的基礎，在其中，受電漿子控制的單一分子電氣特性可被設計成廣泛地牽連至電漿子電路以及光電和能源收成裝置。

材料科學教授以及 Nano/Bio Interface Center 主任，Dawn Bonnell 等人製造出光敏陣列、金奈米粒子，在玻璃基質上將它們連起來。將奈米粒子之間的空間最小化至最理想距離，研究者利用光學輻射來刺激具傳導性的電子，稱為電漿子（plasmons），以支配（ride）金奈米粒子的表面並將光線聚焦至連結分子的接點上。電漿子效應使分子中的電流產生效率增加百分之 400 到 2000 倍，那接著能透過網路傳輸到外部世界。

在光學輻射刺激表面電漿子且奈米粒子受到最佳耦合的例子中，大型電磁場在粒子間建立，且由金奈米粒子捕捉。這些粒子接著彼此耦合，形成一條穿過相對電極的滲流路徑（percolative path）。大小、形狀與間隔能加以定做以改造光聚焦的區域。將這些粒子的大小、形狀與間隔最佳化以製造出一種「能引起共鳴的」光學天線，也許能產生數千倍的強化。

此外，該團隊證明，電漿子耦合奈米粒子的光導電性強度能獨立於分子的光學特性之外進行調整，這項結果對於未來奈米級的光電子學裝置具有深遠的影響。

"如果該系統的效率能夠放大而沒有任何額外的、意外的限制，我們相信能製造出一種一安培、一伏特的樣本，直徑如人類頭髮，一英吋長，" Bonnell 說。

這項研究發表在當期 ACS Nano 期刊上。

※ 文縐縐 XD 相關報導：

＊ Plasmon-Induced Electrical Conduction in Molecular Devices
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn901148m

Parag Banerjee, David Conklin, Sanjini Nanayakkara,
Tae-Hong Park, Michael J. Therien and Dawn A. Bonnell
ACS Nano, Article ASAP, January 22, 2010
doi: 10.1021/nn901148m

Metal nanoparticles (NPs) respond to electromagnetic waves by creating surface plasmons (SPs), which are localized, collective oscillations of conduction electrons on the NP surface. When interparticle distances are small, SPs generated in neighboring NPs can couple to one another, creating intense fields. The coupled particles can then act as optical antennae capturing and refocusing light between them. Furthermore, a molecule linking such NPs can be affected by these interactions as well. Here, we show that by using an appropriate, highly conjugated multiporphyrin chromophoric wire to couple gold NP arrays, plasmons can be used to control electrical properties. In particular, we demonstrate that the magnitude of the observed photoconductivity of covalently interconnected plasmon-coupled NPs can be tuned independently of the optical characteristics of the molecule—a result that has significant implications for future nanoscale optoelectronic devices.

＊ 表面電漿提高奈米結構的潛在價值
＊ 研究揭櫫金奈米簇穩定性與電子特性
＊ 新奈米晶體具廉價光源潛力
＊ 超材料光學的突破-- 解決吸收損失
＊ 新太陽能：彈性奈米天線陣列捕捉大量紅外光
＊ 量子點讓「彩虹」太陽能電池不再是夢想
＊ 控制材料的電子表面特性

＊ 首次利用雷射觸發雷雨的電氣活動
＊ 奈米雷射-- 未來光學電腦與科技的關鍵
＊ 相機閃光讓絕緣材料變導體（石墨烯）
＊ 研究者證明太陽能電池中的「雪崩效應」
＊ 研究者在量子級聯雷射中發現新型雷射
＊ 第一道鍺雷射讓我們更靠近「光學電腦」
＊ 振動 -- 綠螢光蛋白效率關鍵

＊ 聲學鑷子能幫助微小物體定位
＊ DNA 裝配線 建構奈米粒子簇
＊ 靈感來自電漿電視的數位量子電池
＊ 物理學家提出遠距傳輸能量的方法