В ходе исследования фотоэмиссии «горячих» электронов из плазмонных наноантенн обнаружена возможность реализации гигантского фотогальванического эффекта в метаматериалах с плазмонными наноантеннами нецентросимметричной формы ^[1]. О проводимых исследованиях, полученных результатах и международном сотрудничестве в данной области АНИ «ФИАН-информ» рассказал ведущий научный сотрудник ФИАН Александр Васильевич Усков.

    Явление фотоэффекта – эмиссия (испускание) электронов из вещества при облучении его светом – известно довольно-таки давно. Считается, что первым, кто наблюдал фотоэффект из металла в 1887 г., был Г. Герц. Огромный вклад в теорию фотоэффекта внес А.Г. Столетов, который в результате систематических экспериментальных исследований в 1888-1890 гг. сформулировал его законы. В 1921 г. А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию «за вклад в теоретическую физику, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта». И.Е. Тамм и С.П. Шубин сформулировали в 1931 г. квантово-механическую теорию поверхностного фотоэффекта. Однако, несмотря на столь почтенный возраст и «биографию», фотоэффект по-прежнему остается одним из наиболее интересных и активно исследуемых физических явлений.

    При фотоэффекте электроны металла поглощают кванты света (фотоны) и становятся «горячими». Если электроны достаточно «горячие», они могут покинуть металл – имеет место фотоэлектронная эмиссия из металла (или просто фотоэффект).

           Последние несколько лет в ФИАНе проводятся исследования фотоэмиссии из металлических наночастиц. Интерес к этим объектам обусловлен, прежде всего, тем, что при облучении светом таких наночастиц возможно резонансное возбуждение в них локализованных плазмонов, и тогда эмиссия электронов из наночастиц проходит гораздо эффективнее^[2], чем, например, из металлических пленок в обычных фотодетекторах Шоттки. Металлические наночастицы, в которых возможно возбуждение локализованных плазмонов, часто называют «плазмонными наноантеннами». В ФИАНе исследования фотоэффекта из плазмонных наноантенн проводятся сотрудниками Сектора Теоретической РадиоФизики – старшим научным сотрудником Игорем Евгеньевичем Проценко и ведущим научным сотрудником Александром Васильевичем Усковым – в сотрудничестве с учёными из НИИ Приборов Росатома, Technical University of Denmark, Tyndall National Institute (Cork, Ireland), Institute of Physics (Chinese Academy of Science) и Laser Zentrum (Hannover, Germany).

    Наночастицы (обычно из золота или серебра) располагаются на границе полупроводника (например, из кремния). Золото и серебро обладают свойствами, обеспечивающими эффективное возбуждение локализованных плазмонов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах световых волн, – наиболее интересных для фотоники и фотовольтаики. После поглощения фотона электроны могут преодолеть барьер Шоттки между металлом и полупроводником и перейти в полупроводник. Таким образом, появляется возможность получения электрического тока в структуре.

(a) Схема фотоэмиссии «горячего» электрона с поверхности металла в полупроводник через барьер Шоттки; (b)-(с) Плазмонные наноантенны в форме цилиндра, усечённого конуса и конуса с острием (источник)

            Оказалось, что эффективность фотоэффекта и другие свойства фотоэмиссии зависят от формы наночастиц, в частности, от того, являются наночастицы центросимметричными или нет. Учёные провели расчёты фотоэмиссии для центросимметричных (цилиндрических) и нецентросимметричных (конусообразных) наночастиц. Исследования показали, что при облучении центросимметричных наночастиц «горячие» электроны разлетаются в разные стороны так, что ток эмитированных электронов, усредненный по всем направлениям, оказывается равным нулю. Однако в случае с нецентросимметричными частицами эмиссия электронов может порождать направленный электрический ток в среде, т.е. возникает фотоэдс. Поскольку фотоэдс, возникающая в таком метаматериале с нецентросимметричными плазмонными наноантеннами, может существенно превышать фотоэдс, наблюдаемую в обычных средах без центральной симметрии^[3], это явление, впервые теоретически предсказанное исследователями из ФИАН с коллегами, назвали гигантским плазмонным фотогальваническим эффектом.

Зависимость направленности тока фотоэмиссии из конической наноантенны от её коничности (источник)

    Комментирует Александр Васильевич Усков:

    «При освещении металлической наночастицы (плазмонной наноантенны) можно добиться бо́льшего фотоэффекта в сравнении с фотоэффектом из плоской границы металла, в том числе за счёт увеличенного электромагнитного поля внутри и вокруг такой частицы.

    Сейчас наблюдается огромный интерес к фотоэлектронной эмиссии из наноантенн. Один из наших интересных и оригинальных результатов состоит, в том, что мы предсказываем гигантский фотогальванический эффект в плазмонных метаматериалах с наночастицами нецентросимметричной формы».

    В ФИАНе планируют продолжить исследования других материалов и частиц других геометрий. По словам учёных, усиленная фотоэмиссия из плазмонных наноантенн может быть применена не только в фотонике и фотовольтаике, но также и в фотоэлектрохимии, фотохимии и, в частности, для расщепления воды (т.е., в водородной энергетике) – во всех тех областях науки и технологии, где задействованы «горячие» электроны.

И. Герасимова, АНИ «ФИАН-информ»

_____________________________________

        [1] Zhukovsky, S. V., Babicheva, V. E., Evlyukhin, A. B., Protsenko, I. E., Lavrinenko, A. V., &Uskov, A. V. (2014). Giant Photogalvanic Effect in Noncentrosymmetric Plasmonic Nanoparticles. Physical Review X, Vol. 4(3), 031038 (2014). К тексту

        [2] Brongersma M.L., Halas N.J., Nordlander P. Plasmon-induced hot carrier science and technology. Nature Nanotechnology, 10, 25–34 (2015).

     Проценко И. Е. , Усков А. В. Фотоэмиссия из металлических наночастиц // Успехи физических наук. 2012. Т. 182. №. 5. С. 543-554.

     Uskov, A. V., Protsenko, I. E., Ikhsanov, R. S., Babicheva, V. E., Zhukovsky, S. V., Lavrinenko, A. V., ... &Xu, H. (2014). Internal photoemission from plasmonic nanoparticles: comparison between surface and volume photoelectric effects. Nanoscale, 6(9), 4716-4727. (2014).

К тексту

        [3] Sturman B.I., Fridkin V.M., The Photovoltaic and Photorefractive Effects in Noncentrosymmetric Materials (Gordon and Breach, Philadelphia, 1992) К тексту