賴斯大學的物理學家發現，等離子體金屬可以被提示產生「熱載流子」，進而在電極之間的納米級間隙中出乎意料地發出明亮的光。該現象可能對光催化、量子光學和光電子學具有應用前景。
該最新研究成果論文發表在最近美國化學學會期刊《納米快報》上。論文第一作者崔龍吉（Longji Cui）和第二作者朱雲軒（Yunxuan Zhu）為中國博士學者。
物理學家並不驚奇地看到納米實驗發出的光。但是，當那盞燈的亮度比預期的高1萬倍時，引起了他們的注意。
研究人員發現了這種巨大的發射，是由兩個由等離子體材料（特別是金）製成的電極之間的納米級間隙引起的。
幾年前，實驗室發現，激發電子越過間隙，這種現象被稱為隧道效應，產生的電壓要比金屬平臺中沒有間隙的電壓大。
在該項新研究中，當這些熱電子是由驅動在金電極之間隧穿的電子產生的時，它們與空穴的複合會發出明亮的光，而輸入電壓越大，光越亮。
效果取決於金屬的等離激元，即流過其表面的能量波動。研究人員說：「人們已經探索出等離激元對電動發光光譜很重要，但首先不產生這些熱載流子的想法。」 「現在，我們知道等離子體激元在此過程中扮演著多種角色。」
研究人員將幾種金屬製成具有納米間隙的、微觀的、蝴蝶結狀的電極，可以讓它們同時進行電子傳輸和光譜分析。在電極中，金是性能最好的電極，其中包括具有抑制等離子激元的鉻和鈀的化合物，這些化合物可幫助確定等離子激元在該現象中的作用。
研究人員說：「如果等離激元的唯一作用是幫助將光耦合出去，那麼使用金和鈀之類的材料之間的差異可能是20或50倍。」 「這一事實告訴您正在發生一些不同的事情。」
原因是等離子體激元「幾乎立即」衰減成熱電子和空穴。「這種持續不斷的攪動，利用電流將材料踢進去，產生了更多的電子和空穴，給了我們這種穩態的載流子熱分布，而且我們能夠一次保持幾分鐘。」
通過發射的光譜，研究人員的測量表明，那些熱的載流子確實很熱，達到了華氏3千度以上的溫度，而電極卻保持了相對涼爽的狀態，即使輸入的電壓只有大約1伏。
這一發現可能對光電子學和量子光學的發展很有用，這對於以小規模消失的光-物質相互作用進行研究。「在化學方面，可以擁有非常熱的載體的想法令人興奮。」 「這意味著您可能會使某些化學過程比平常更快地運行。
研究團隊表示：「有很多研究對等離子光催化感興趣，在這種情況下，可以發出光，激發等離激元，而這些等離激元中的熱載體會產生有趣的化學反應。」 「原則上，可以電激發等離子體激元，它們產生的熱載體可以進行有趣的化學反應。」
參考：Longji Cui et al, Electrically Driven Hot-carrier Generation and Above-threshold Light Emission in Plasmonic Tunnel Junctions, Nano Letters (2020).