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미 에너지 부 (DOE) 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory)에서 에너지를 빛으로부터 에너제틱 (energetic) 전자로 새롭고 더 좋고 더 빠르게 변환하는 방법을 발견된 나노 과학자, 즉 사람의 머리카락 폭보다 작은 재료로 연구하는 사람들 덕분에 태양 광 및 신 재생 에너지가 뜨거워지고 있다. 그들의 혁신적인 방법은 태양 에너지 변환 분야에 새로운 기회와 효율성을 제공할 수 있다. 아르곤 연구소 과학자들과 그들의 동료들은 광자의 에너지를 최대한 활용할 수 있도록 연구소 나노 미터 재료 센터 (Center for Nanoscale Materials, CNM)의 과학 사용자 시설 사무소에서 하이브리드 나노 물질을 만들었다. 결과는 나노 물질 구성 요소를 타격하는 광자와 같은 양의 에너지를 운반하는 에너제틱 또는 '핫 (hot)' 전자였다. 이러한 작은 다이나모 (dynamo)는 결국 특수한 물질이 태양 에너지를 깨끗하고 재생 가능한 수소 연료로 전환시키는 광촉매 물 분해와 태양 에너지를 전기로 변환하는 광전지에서 큰 진보를 이끌 수 있다. 이 연구팀은 금속과 금속 나노 구조에 초점을 맞추었다. 왜냐하면 그들은 빛의 많은 부분을 흡수하기 때문이다. 이것은 조사된 물질에서 활발한 전자의 수를 증가시키는 첫 단계이다. 광자의 모든 에너지를 가능한 한 많이 보존하기를 원하며 연구팀은 많은 것들을 만들기 위해 어떤 종류의 나노 구조가 필요한 지에 초점을 맞추고 있다. 큰 입자에서는 광자 에너지 근처의 에너지를 가진 이러한 에너제틱 전자는 거의 볼 수 없다. 그래서 작은 입자가 필요하다. 연구팀은 가장 많은 수의 핫 전자를 생성하는 구조적 기하와 스펙트럼 조건을 결정하기 위해 재료를 시뮬레이션했다. 최고의 조합은 은 나노 큐브 및 알루미늄 산화물 스페이서로 분리된 금 필름이다. 스페이서 층을 가로 지르는 은 나노 큐브와 금 박막 사이의 결합은 광 강도의 국부적인 증가를 가져온다. 이는 결과적으로 경쟁 우위에 있는 나노 구조가 경쟁 구조들보다 더 나은 핫 전자를 만들어낸다. 주요 진보 중 하나는 자외선으로부터 가시 광선을 통해 근적외선으로 매우 넓은 스펙트럼 범위에서 에너제틱 전자를 생산하는 것이다. 햇빛을 에너제틱 전자로 변환하는 프로세스는 일반적으로 더 작은 파장 대역 내에서 작동한다. 이것은 훨씬 넓은 스펙트럼 범위에서 핫 전자를 만들 수 있는 것보다 태양 에너지 활용에 유용하지 않다. 연구팀의 과제는 대부분의 금속에서 에너지는 한 수준에서 다른 수준으로 전환되어 고 에너지 전자를 생성할 수 없다는 것이다. 이를 해결하기 위해 전자 이동의 방향을 바꾸거나 이동을 바꿀 운동향을 변환시킬 필요가 있다. 연구팀은 최첨단 장비인 CNM의 과도 흡수 분석기 (transient absorption spectrometer)를 사용하여 데이터를 수집했다. 이 연구팀은 핫 전자의 농도 변화율을 측정하여 언제 어떻게 에너지를 잃는지를 결정했다. 그들이 수집한 데이터는 연구원들이 손실을 상쇄하는 방법에 대한 단서를 발견하거나 에너지를 잃기 전에 뜨거운 전자를 추출할 수 있는 방법을 찾을 수 있게 해준다. 또한 이 데이터는 뜨거운 전자의 독특한 집단을 나타냈다. 연구팀은 파장과 기하학에 독립적인 여러 가지 고유한 감쇠율을 확인했다. 나노 물질은 밴드 내에서 이동하는 고온 전자의 붕괴 속도에 영향을 미치는 서로 다른 에너지 밴드를 포함한다. 이 연구는 나노 물질이 다양한 종류의 핫 전자를 특정한 방향으로 이동시키는 것을 가능하게 해 준다. 연구팀은 전자의 이러한 다양한 집단이 물질에서 어떤 방향으로 움직이는 지에 따라 다른 수명을 보일 것으로 믿고 있다. 이는 고속 도로를 따라 자동차를 빨리 달릴 때 다른 차량들이 접근해 온다고 생각해 보면 쉽게 알 수 있다. 교통량이 적으면 얼마 동안 다른 차를 만나지 않으므로 더 오랜 시간 동안 더 높은 속도를 유지할 수 있다. 하지만 교통량이 많으면 빠르게 속도를 줄여야 한다. 전자가 금속에서 이동하는 방향에 따라 다른 이동이 있으며, 이것은 고 에너지 전자가 얼마나 오랫동안 흥분하는지에 영향을 미친다. 아르곤 연구소가 듀크 대학, 오하이오 대학 및 중국 전자 기술 대학의 연구원들과 함께 공동 연구한 내용은 네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications, 'Enhanced generation and anisotropic Coulomb scattering of hot electrons in an ultra-broadband plasmonic nanopatch metasurface')지에서 볼 수 있다. |
