[논문 리뷰] Hot-electron dynamics in plasmonic nanostructures

Jacob B. Khurgin, Anton Yu. Bykov외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 20.

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications인용 수 9

한 줄 요약

플라즈모닉 나노구조에서의 핫 전자 생성과 동역학에 대한 검토로, 이론, 실험적 탐침, 초고속 광학 및 촉매에서의 응용을 다룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표면 플라스마에 의해 생성된 핫 캐리어의 연구를 고무하고 금속 계면 근처의 물리적•화학적 과정에 미치는 영향을 제시한다.
• 플라즈모닉 시스템에서 핫 전자 동역학을 설명하는 이론적 프레임워크를 요약한다.
• 핫 캐리어를 연구하는 데 사용되는 실험 방법을 조사하고 대표적인 프로세스와 응용을 설명한다.
• 장치와 기술에서 핫 전자 현상을 활용하는 예상 응용을 강조한다.

제안 방법

• 플라즈모닉하게 생성된 핫 전자와 그 비열적 및 열역학적 동역학에 대한 이론적 설명을 제시한다.
• 초고속 분광학 및 관련 기법을 포함하여 핫 캐러를 조사하는 실험적 접근법을 검토한다.
• 비선형 광학 효과 및 주위 물질로의 전하 운반(캐리어 전달)와 같은 대표적 프로세스를 설명한다.
• 초고속 검출기, 비선형 광학, 광촉매 및 나노규모 광전자공학의 응용을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 플라즈마가 플라즈모닉 나노구조에서 핫 전자와 양공을 생성하는 근본 기제는 무엇인가?
• RQ2 핫 캐리어가 비선형 광학 효과 및 근접 계면 화학 또는 장치 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 어떤 실험 방법이 핫 전자 동역학 및 인접 물질로의 캐리어 전달을 가장 잘 특성화하는가?
• RQ4 금속 계면에서 핫 전자 과정들을 활용하는 가장 주목할 만한 응용은 무엇인가?

주요 결과

• 핫 캐리어는 플라즈모닉 매질 내에서 비선형적 Kerr형 광학 효과를 일으킬 수 있다.
• 핫 전자와 홀은 주변 물질로 전달되어 광전류 생성 및 광화학적 변환에 관여할 수 있다.
• 핫 캐리어 동역학을 이해하는 것은 초고속 검출기, 광대역 광촉매, 나노규모 광전자 소자 개발에 필수적이다.
• 플라즈모닉으로 유도된 핫 전자 프로세스는 빛으로 빛을 제어하고 표면 매개 화학적 및 물리적 변환을 가능하게 한다.