[論文レビュー] Hot-electron dynamics in plasmonic nanostructures

Jacob B. Khurgin, Anton Yu. Bykov+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2023

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications被引用数 9

ひとこと要約

ホットエlectron generation and dynamics in plasmonic nanostructures の理論、実験的プローブ、超高速光学と触媒への応用を網羅した総説。

ABSTRACT

The coherent oscillations of mobile charge carriers near the surface of good conductors-surface plasmons-are been exploited in many applications in information technologies, clean energy, high-density data storage, photovoltaics, chemistry, biology, medicine and security. Light can be coupled to surface plasmons and trapped near the interface between a metal and an adjacent material. This leads to the nanoscale confinement of light, impossible by any other means, and a related electromagnetic field enhancement. Microscopic electron dynamic effects associated with surface plasmons are capable of significantly influencing physical and chemical processes near a conductor surface, not only as a result of the high electric fields, but also via the excitation of energetic charge carriers: holes below Fermi level or electrons above it. When remaining inside plasmonic media, these so-called hot carriers result in nonlinear, Kerr-type, optical effects important for controlling light with light. They can also transfer into the surroundings of the nanostructures, resulting in photocurrent, or they can interact with adjacent molecules and materials, inducing photochemical transformations. Understanding the dynamics of hot carriers and related effects in plasmonic nanostructures is essential for the development of ultrafast detectors and nonlinear optical components, broadband photocatalysis, enhanced nanoscale optoelectronic devices, nanoscale and ultrafast temperature control, and other technologies of tomorrow. This review will discuss the basics of plasmonically-engendered hot electrons, theoretical descriptions and experimental methods to study them, and describe prototypical processes and examples of the most promising applications of hot-electron processes at the metal interfaces.

研究の動機と目的

• 表面プラズモンにより生成されるホットキャリアが金属界面近傍の物理化学プロセスへ与える影響を動機づける。
• プラズモニック系におけるホットエレクトロンのダイナミクスを説明する理論的枠組みを要約する。
• ホットキャリアを研究するための実験手法を概説し、典型的なプロセスと応用を示す。
• ホットエレクトロン現象を利用したデバイスと技術の将来的な応用を強調する。

提案手法

• プラズモン生成ホットエレクトロンの非平衡・熱的ダイナミクスを理論的に記述する。
• 超高速分光法などを含むホットキャリアを探る実験的アプローチをレビューする。
• 非線形光学効果や周囲材料へのキャリア転移といった典型的プロセスを説明する。
• 超高速検出器、非線形光学、光触媒、ナノスケールオプトエレクトロニクスでの応用を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズモン性ナノ構造で表面プラズモンがホット電子・ホットホールを生成する基本的機構は何か。
• RQ2 ホットキャリアは非線形光学効果や界面近傍の化学反応・デバイス性能にどのように影響するか。
• RQ3 ホットエレクトロンのダイナミクスと隣接素材へのキャリア転移を最もよく特徴づける実験的方法は何か。
• RQ4 金属界面でのホットエレクトロン過程を活用する最も有望な応用は何か。

主な発見

• ホットキャリアはプラズモニック媒体内で非線形・クアーズ型光学効果を駆動できる。
• ホットエレクトロンとホールは周囲材料へ転移し、光電流生成や光化学変換に関与できる。
• ホットキャリアダイナミクスの理解は超高速検出器、広帯域光触媒、ナノスケールオプトエレクトロニクスデバイスの開発に不可欠である。
• プラズモン生成ホットエレクトロン過程は光を光で制御するだけでなく、表面を介した化学・物理変換を可能にする。