Nieuw mechanisme ontdekt om licht om te zetten in elektriciteit: het 'plasmo-elektrisch effect'
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF en het California Institute of Technology hebben een nieuwe methode ontdekt voor het genereren van elektrische spanning met licht. Met behulp van minutieus ontworpen metalen nanocircuits konden zij licht effectief invangen en omzetten in een elektrische spanning van 100 millivolt. De onderzoeksresultaten verschijnen op 30 oktober in het tijdschrift Science.
Het AMOLF-Caltech team, dat al jarenlang samenwerkt, noemt het nieuw ontdekte effect het 'plasmo-elektrische effect'. Albert Polman, leider van het AMOLF-deel van het team: "Dit is een geheel nieuwe manier om licht om te zetten in elektriciteit. We hebben nu aangetoond dat we een elektrische spanning kunnen genereren; de volgende stap is om te zien of we ook stroom kunnen verzamelen en zo elektrisch vermogen kunnen opwekken."
Kleine deeltjes van edelmetalen zoals koper, zilver en goud, staan bekend om hun kleurrijke spectra wanneer ze worden verlicht. Een bekend voorbeeld vormen de gebrandschilderde ramen in oude kerken waarin de kleuren worden gevormd door kleine metalen deeltjes die zijn ingesloten in het glas. Het licht dat op deze deeltjes schijnt, wordt omgezet in plasmonen: trillingen van de vrije elektronen in het metaal. Dat leidt tot sterke absorptie en verstrooiing van bepaalde kleuren van het licht.
Het AMOLF-Caltechteam onderzocht dit lichtabsorptieproces in kunstmatig gecreëerde metalen nanostructuren. Deze vervaardigden zij met behulp van moderne cleanroomtechnieken. Ze beschenen gouden nanobolletjes met licht en ontdekten dat een negatieve elektrische spanning ontstaat bij belichting met blauw licht. Daarentegen vonden zij een positieve spanning bij rood licht. De onderzoekers maten de spanning met een ultragevoelige naald die ze boven de belichte nanodeeltjes plaatsten.
Geïnspireerd door dit eerste resultaat vervaardigde het team metalen nanocircuits, samengesteld uit een vierkant rooster van minuscule gaatjes met een diameter van 100 nanometer in een dunne gouden film. Net als de nanodeeltjes vertonen deze gaatjesroosters heldere plasmon-resonanties, waarvan de afstand tussen de gaatjes de kleur bepaalt. Wanneer deze circuits met een laser worden belicht en de kleur van het licht geleidelijk verandert van blauw naar rood, ontstaat eerst een negatieve spanning (-100 millivolt, blauw licht) en vervolgens een positieve spanning (+100 millivolt, rood licht).
De onderzoekers ontwikkelden vervolgens een theoretisch model waarmee ze de gemeten verschijnselen goed kunnen beschrijven. Het invallende licht brengt kleine temperatuurschommelingen teweeg die een thermodynamische kracht leveren voor de uitwisseling van elektrische ladingen op de schakeling. Dat leidt tot de gemeten spanning.
Meer informatie
Physics World, het tijdschrift van de Institute of Physics, publiceerde een artikel over het onderzoek.
Contact
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Albert Polman, (020) 754 71 00 of kijk op FOM-instituut AMOLF
Referentie
Plasmoelectric potentials in metal nanostructures, M. Sheldon, J. van de Groep, A.M. Brown, A. Polman en H.A. Atwater, Science 346, (2014), online publicatie op 30 oktober 2014