Des chercheurs australiens ont mis en évidence un mécanisme très efficace d’extraction de l’énergie des nanocristaux métalliques, avec des avantages potentiels dans les domaines de la photovoltaïque, de la photocatalyse et de l’optoélectronique.
Basée à l’université RMIT et au CISRO, l’équipe dirigée par Exciton Science a créé des « allumettes » de taille nanométrique, de minuscules structures composées de nanorods d’or et de pointes de séléniure de cadmium.
L’extrémité métallique de la structure en allumettes fonctionne comme des antennes pour capter la lumière, et leur interaction avec la pointe entraîne l’accumulation de charges électriques.
En créant la structure optimale, les chercheurs ont démontré qu’il était possible d’atteindre des rendements d’extraction de charges allant jusqu’à 45 %.
L’étude montre que cette approche est prometteuse pour d’importantes applications industrielles et de collecte d’énergie, notamment la production d’hydrogène à partir de l’énergie solaire.
Les résultats ont été publiés dans la revue ACS Nano (« Optimal Geometry for Plasmonic Hot-Carrier Extraction in Metal-Semiconductor Nanocrystals« ).
Dirigés par Lesly Melendez, candidate au doctorat, et Daniel Gomez, professeur associé au RMIT, les travaux se sont concentrés sur l’extraction de charge par plasmons, terme désignant l’oscillation collective des électrons dans un métal.
Lorsqu’un photon de lumière d’un certain niveau d’énergie est absorbé par un matériau, il favorise le déplacement d’un électron d’un métal vers un semi-conducteur, ce que l’on appelle le « transfert d’électrons chauds.
Cependant, il est difficile de collecter efficacement la charge des plasmons (et de comprendre leur comportement), car ils se « détendent » et libèrent leur énergie très rapidement.
L’équipe a utilisé une technique de recherche appelée spectroscopie de perte d’énergie électronique (EELS) à particule unique pour mieux comprendre la relation entre la structure et la fonction du système métal-semiconducteur.
La spectroscopie de perte d’énergie électronique est une technique basée sur le microscope électronique à haute résolution, utile pour l’étude des nanocristaux, car elle permet d’établir une corrélation directe entre la fonction et des informations détaillées sur la taille, la géométrie et la composition des particules.
Peu d’études antérieures ont montré le potentiel de l’EELS pour évaluer le transfert d’électrons et d’énergie entre une nanoparticule métallique et un matériau semi-conducteur.
En l’appliquant aux structures de nanorods d’or, les chercheurs ont pu constater des niveaux de génération de porteurs chauds plasmoniques parmi les plus élevés rapportés à ce jour.
L’EELS leur a permis d’identifier les paramètres qui contrôlent l’efficacité de la séparation des charges, notamment la qualité de l’interface entre l’or et le séléniure de cadmium et la taille de la tige métallique.
Ces résultats devraient servir de base à la meilleure approche de conception future de ces structures, qui pourrait comporter un mécanisme de synthèse sophistiqué permettant de créer des nanostructures efficaces à grande échelle.
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