Investigadores de IMDEA Nanociencia y la UAM proponen un nuevo método para explorar la termalización de portadores calientes con resolución temporal de billonésimas de segundo
Es bien conocido que el paso de un flujo de electrones, es decir, una corriente eléctrica, a través de un material aumenta la temperatura de este debido al famoso efecto Joule. Este efecto, que se usa cotidianamente en calentadores domésticos e industriales, secadores de pelo, fusibles térmicos, etc., se debe a que los nuevos electrones inyectados no pueden ir a los estados de menor energía, porque ya están ocupados por los electrones propios del material y, por tanto, deben iniciar su andadura con energías relativamente altas, por lo que se reciben el nombre de portadores calientes. Sin embargo, según van moviéndose a través del material, los portadores calientes van perdiendo energía mediante colisiones con otros electrones y los átomos del sólido. El proceso mediante el cual esta energía perdida se traduce en energía térmica y, por tanto, en un aumento de la temperatura, se conoce como termalización de los portadores calientes.
Hay que notar sin embargo que este efecto tan bien conocido tiene lugar para flujos de electrones muy altos, que pueden llegar a miles de billones de electrones por segundo en dispositivos electrónicos al uso. Por tanto, nos da información acerca del comportamiento colectivo de miríadas de electrones, pero cuánto tarda cada uno de ellos en perder su energía es una cuestión generalmente difícil de responder experimentalmente.
En un artículo que ha sido recientemente publicado en la prestigiosa revista Nano Letters, un grupo de científicos españoles ha propuesto un nuevo método para explorar la termalización de portadores calientes con resolución temporal de billonésimas de segundo. El trabajo, que resulta de una colaboración entre la Universidad Autónoma de Madrid, IFIMAC, el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA), Donostia International Physics Center (DIPC) y la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea, ha usado un Microscopio Túnel de Barrido (por sus siglas en inglés, STM) para inyectar electrones en una superficie de plata a un ritmo mil veces menor que el correspondiente a corrientes de operación de dispositivos estándar, y ha examinado la distribución energética de la luz que se emite en la unión en respuesta a la inyección de electrones.
Imagen: Scixel.
Una visión naif de la ley de Conservación de la Energía implicaría que no deberían emitirse fotones con energías mayores que el voltaje aplicado a la unión: el experimento, por el contrario, demuestra que, aunque el número de fotones con energías mayores que el voltaje aplicado es muy pequeño, éste no es completamente nulo. En su trabajo, el consorcio liderado por el Prof. Roberto Otero explica este fenómeno como el resultado de tener en cuenta la temperatura del gas de electrones del sólido, y permite extraer dicha temperatura a partir de la distribución energética de los fotones con energías por encima del voltaje.
Este análisis demuestra que la temperatura del gas de electrones y la del material en sí coinciden para temperaturas altas y corrientes bajas; a medida que se aumenta la corriente, sin embargo, la temperatura electrónica estimada aumenta por encima de la temperatura de la muestra. Los autores racionalizan este comportamiento teniendo en cuenta que, al aumentar la corriente, disminuye el tiempo promedio entre la inyección de electrones consecutivos. Cuando este tiempo es menor que el de la termalización de los portadores calientes, el segundo electrón inyectado nota que la temperatura del gas de electrones es mayor que la de la muestra porque la energía del primer electrón aún no se ha disipado completamente. Si la inyección del segundo electrón da lugar a la emisión de luz, la distribución energética de la luz con energías por encima del voltaje reflejará la temperatura del gas de electrones en el momento de la inyección. De esta manera, midiendo la emisión de luz con energías por encima del voltaje a distintas corrientes es posible seguir la rapidez con la que el proceso de termalización tiene lugar.
La importancia de estos resultados se basa en tres pilares fundamentales: En primer lugar, aclara la naturaleza de la emisión de fotones por encima del voltaje aplicado y muestra cómo este hecho es perfectamente consistente con el conocimiento científico actual; en segunda lugar, ofrece una nueva manera de medir la temperatura electrónica de sólidos que, al usar un microscopio túnel de barrido, permitiría el estudio con resolución espacial atómica, del orden de las separaciones entre átomos individuales; por último, ofrece una nueva herramienta para estudiar los procesos de termalización de portadores calientes, de uno en uno. Por todos estos motivos, los autores confían en que este trabajo sea esencial para el diseño y caracterización de dispositivos térmicos y luminiscentes de tamaño nanométrico, y podría tener importantes consecuencias para el diseño de catalizadores nanométricos para distintas reacciones químicas, o la fabricación de láseres nanométricos que podrían funcionar con potencias bombeo extraordinariamente bajas.
Este trabajo es una colaboración entre grupos de investigación de IMDEA Nanociencia, el IFIMAC en la Universidad Autónoma de Madrid, el Donostia International Physics Center y la Universidad del Pais Vasco/EHU, y ha sido cofinanciado por el galardón “Centro de Excelencia Severo Ochoa”, otorgado a IMDEA Nanociencia en 2017.
Referencia bibliográfica:
Alberto Martín-Jiménez, Koen Lauwaet, Óscar Jover, et al. Electronic Temperature and Two-Electron Processes in Overbias Plasmonic Emission from Tunnel Junctions. Nano Lett. 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00951
