Wissenschaftler der EPFL haben das erste umfassende Modell der quantenmechanischen Effekte entwickelt, die der Photolumineszenz in dünnen Goldfilmen zugrunde liegen. Diese Entdeckung könnte die Entwicklung von Solarbrennstoffen und -batterien unterstützen.
Seit Hunderten von Jahren ist bekannt, dass Lumineszenz oder die Emission von Photonen durch eine Substanz, die Licht ausgesetzt wird, in Halbleitermaterialien wie Silizium auftritt. Das Verhalten von Elektronen auf der Nanometerskala, wenn sie Licht absorbieren und wieder aussenden, kann viele Informationen über die Eigenschaften von Halbleitern liefern. Daher werden diese oft als Sonden zur Charakterisierung elektronischer Prozesse verwendet, z. B. derer, die im Inneren von Solarzellen ablaufen.
Im Jahr 1969 entdeckten Wissenschaftler, dass alle Metalle mehr oder weniger stark lumineszieren. Jahre nach dieser Entdeckung war dieses Phänomen jedoch immer noch nicht richtig verstanden. Das erneute Interesse an dieser Lichtemission, das durch die nanoskalige Wärmekartierung und photochemische Anwendungen motiviert wurde, hat die Debatte über ihre Ursprünge neu entfacht. Die Antwort war jedoch bis heute unklar.
"Wir haben metallische Goldfilme von höchster Qualität entwickelt, was uns in eine einzigartige Position gebracht hat, um diesen Prozess ohne die verwirrenden Faktoren früherer Experimente zu verstehen", sagt Giulia Tagliabue, Leiterin des Labors für Nanowissenschaft für Energietechnologien ( LNET ) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik.
In einer kürzlich in der Zeitschrift Light: Science and Applications veröffentlichten Studie richteten Giulia Tagliabue und das Team des LNET-Labors Laserstrahlen auf extrem dünne Goldfilme mit einer Größe zwischen 13 und 113 Nanometern und analysierten das schwache Leuchten. Nach ihren präzisen Experimenten erhielten die Wissenschaftler so detaillierte und unerwartete Daten, dass sie mit Theoretikern und Theoretikerinnen des Instituts für Wissenschaft und Technologie in Barcelona, der Universität von Süddänemark und des Rensselaer Polytechnic Institute (USA) zusammenarbeiteten, um die Modellierungsmethoden der Quantenmechanik zu überarbeiten und anzuwenden.
Durch ihren umfassenden Ansatz konnten die Wissenschaftler die Debatte über die Art der Lumineszenz von Filmen - die Photolumineszenz - beenden, die durch die spezifische Art und Weise definiert wird, wie sich Elektronen und ihre entgegengesetzt geladenen Gegenstücke (Löcher) als Reaktion auf Licht verhalten. Mit diesem Ansatz gelang es ihnen auch, das erste vollständige und vollständig quantitative Modell dieses Phänomens in Gold zu erstellen, das sich auf jedes beliebige Metall anwenden lässt.
Unerwartete Quanteneffekte
Giulia Tagliabue erklärt, dass das Team unter Verwendung eines dünnen Films aus einkristallinem Gold, der mit einer neuen Synthesetechnik hergestellt wurde, den Prozess der Photolumineszenz untersuchte, während sie das Metall verfeinerten. "Wir beobachteten einige quantenmechanische Effekte in Filmen, die bis zu einer Größe von etwa 40 Nanometern gemessen wurden. Das war unerwartet, denn normalerweise beobachtet man bei einem Metall solche Effekte erst deutlich unter 10 nm", sagt sie.
Diese Beobachtungen lieferten wichtige Informationen darüber, wo genau der Photolumineszenzprozess in Gold stattgefunden hat, was eine Voraussetzung für die Verwendung des Metalls als Sonde ist. Die Studie brachte auch die Erkenntnis, dass das photolumineszierende (Stoke-)Signal von Gold dazu verwendet werden kann, die Oberflächentemperatur des Materials zu ergründen - ein Segen für Wissenschaftler, die im Nanometerbereich arbeiten.
"Es gibt eine große Debatte über die Gründe und Bedingungen, unter denen viele chemische Reaktionen an der Oberfläche von Metallen ablaufen. Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter, aber es ist extrem schwierig, sie auf der Nanometerskala zu messen, da ein Thermometer die Messung beeinflussen kann. Es ist also ein immenser Vorteil, ein Material zu untersuchen, indem man es als Sonde verwendet", sagt Giulia Tagliabue.
Ein Maßstab für die Entwicklung von Solarbrennstoffen
Den Wissenschaftlern zufolge werden ihre Entdeckungen es ermöglichen, Metalle zu nutzen, um beispiellos genaue Informationen über chemische Reaktionen zu erhalten, insbesondere über solche, die an der Energieforschung beteiligt sind. Metalle wie Gold und Kupfer - das nächste Forschungsziel des LNET-Labors - können einige wichtige Reaktionen auslösen, wie die Reduktion von Kohlendioxid (CO2) zu kohlenstoffbasierten Produkten wie Solarbrennstoffen, die die Sonnenenergie in Form von chemischen Bindungen speichern.
"Um den Klimawandel zu bekämpfen, werden wir Technologien brauchen, die CO2 in andere nützliche Chemikalien umwandeln können", erklärt Alan Bowman, Postdoktorand am LNET-Labor und Hauptautor der Studie.
"Die Verwendung von Metallen ist ein Weg, dies zu erreichen, aber wenn wir es versäumen, richtig zu erklären, wie diese Reaktionen an ihrer Oberfläche ablaufen, können wir sie nicht optimieren. Die Lumineszenz bietet einen neuen Weg, um zu verstehen, was in diesen Metallen vor sich geht."
Referenzen
Bowman, A.R., Rodríguez Echarri, A., Kiani, F. et al. Quantum-mechanical effects in photoluminescence from thin crystalline gold films. Light Sci Appl 13, 91 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377’024 -01408-2
