量子隧穿|英國倫敦國王學院研發出一種基於量子效應且允許熱電子精準控制的新型納米材料,有望應用於化學工業、光電子學和傳感領域

2021-01-20 大國重器高端電子元器件

英國倫敦國王學院的研究團隊研發了一種基於量子效應，且允許熱電子精準控制的新型納米材料，有望應用於化學工業、光電子學和傳感領域。


研究團隊利用該材料開發了一種能夠控制高能電子的新設備，該設備允許發生不尋常的化學反應。電激勵的超材料可以用作高靈敏氣體傳感器，也可在微晶片上用作光通信的納米級光源。


       在適當的控制條件下，該器件可利用電子隧道效應產生微粒子流，具有重要應用價值。

當對器件施加電壓時，將引起電子從一種材料（共晶鎵銦）到另一種材料（金納米棒）的流動，兩種材料中間由氣體隔開，因此通常條件下會阻止電子的流動，但是當空氣間隙小於1納米時，將適用於量子力學法則，即電子隧穿。


該電子隧穿效應將產生兩方面的影響。

首先，大多數隧道電子以「熱電子」的形式到達金納米棒尖端。熱電子對於化學工業具有重要意義，因為她們的高能量使得分子之間發生化學反應，而這些分子在通常情況下不會相互作用。

其次，少部分隧道電子激發超材料中的其他粒子。該激發將發射光子，光子波長與施加電壓的大小相關。通常這種轉換效率非常低，但研究團隊的超材料使用陣列金納米棒提供了1000億個隧道結來改善電子到等離子體激元的轉換，使得發射的光可以被肉眼看到。


熱電子的產生對於那些在通常條件下不會發生化學反應的工業領域具有實用價值。

國王學院的Anatoly Zayats教授說：「當我們開始這些研究時，我們預期實驗會產生一些弱光，我們認為這應該足以應用於晶片上的各種納米光子應用。但研究發現，該研究的應用範圍實際上更為廣泛。我們相信用熱電子激勵化學反應的設計方法在藥物監測、材料發現等領域的潛力是巨大的。


「Reactive tunnel junctions in electrically driven plasmonic nanorod metamaterials」 Pan Wang, Alexey V. Krasavin, Mazhar E. Nasir, Wayne Dickson & Anatoly V. Zayats. Nature Nanotechnology (2017) doi:10.1038/s41565-017-0017-7

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