推进光-电能转换：延长等离子体热孔寿命的新方法

当光与金属纳米结构相互作用时，它会瞬间产生等离子体热载流子，这些热载流子是将光能转化为电能和化学能等高价值能源的关键中间体。其中，热空穴在增强光电化学反应中起着至关重要的作用。然而，它们在皮秒（万亿分之一秒）内就会散热，这使得实际应用具有挑战性

现在，韩国的一个研究小组成功开发了一种延长热洞持续时间并放大其流动的方法，加速了下一代高效光能转换技术的商业化

由韩国科学技术院化学系杰出教授Jeong-Young Park领导的研究团队与仁荷大学材料科学与工程系的Moonsang Lee教授合作，成功放大了热空穴的流动，并实时绘制了局部电流分布图，从而阐明了光电流增强的机制。这项工作发表在《科学进展》上

该团队通过在专用半导体基板（p型氮化镓）上放置金属纳米网来设计纳米二极管结构，以促进表面的热空穴提取。结果，在与热孔提取方向对齐的氮化镓基板中，与沿其他方向对齐的基板相比，热孔的流动被放大了大约两倍

为了制造Au纳米网，首先将聚苯乙烯纳米珠单层组件放置在氮化镓（p-GaN）基板上，然后蚀刻聚苯乙烯纳米珠以形成纳米网模板。然后，沉积20nm厚的金纳米薄膜，去除蚀刻的聚苯乙烯纳米珠，在GaN基板上实现金纳米网状结构。由于等离子体共振效应，所制备的金纳米网在可见光范围内表现出很强的光吸收

（A）通过原子力显微镜实时观察热孔通量的示意图。（B） 非极化氮化镓（GaN）（上排）和极化GaN（下排）基板上Au纳米网的实时图像（左列），以及实时检测到的热孔通量的映射（中列和右列）。来源：《科学进展》（2025）。DOI:10.1126/sciadv.adu0086使用金纳米网控制热孔的概念图。来源：《科学进展》（2025）。DOI:10.1126/sciadv.adu0086

此外，研究人员使用基于光电导原子力显微镜（pc-AFM）的光电流映射系统，在纳米尺度（人类头发厚度的十万分之一）实时分析了热孔的流动。他们观察到，热空穴激活在“热点”处最强，在那里，光局部集中在金纳米网上。然而，通过改变氮化镓衬底的生长方向，热空穴激活也延伸到了热点之外的其他区域

通过这项研究，该团队发现了一种将光转化为电能和化学能的有效方法。这一突破有望显著推进下一代太阳能电池、光催化剂和氢气生产技术

Park教授表示：“我们首次成功地使用纳米二极管技术控制了热孔的流动。这项创新在各种光电器件和光催化应用方面具有巨大的潜力。例如，它可能会导致太阳能转换技术的突破性进展，如太阳能电池和氢气生产。

”此外，我们开发的实时分析技术可以应用于超小型光电器件的开发，包括光学传感器和纳米级半导体元件。p