Wpływ składu atomowego i silnego sprzężenia na generację gorących nośników ładunku w strukturach złożonych z metalowych nanocząstek i adsorbatów
dr hab. Tomasz Antosiewicz, prof. UW
Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego
I. Opis projektu
W projekcie rozważanie są zagadnienia związane z kształtowaniem odpowiedzi optoelektronicznej nanocząstek metalicznych oraz ich adsorbatów poprzez silne sprzężenie I skład atomowy. Plazmony pozwalają na wydajną koncentrację pola elektromagnetycznego, np. światła słonecznego, w małych objętościach. Zanik tych wzbudzeń prowadzi do generacji gorących nośników ładunku – elektronów i dziur – które mogą tracić energię w zderzeniach wewnątrz cząstki na sposób ciepła, albo być przenisione do adsorbatów. Takie przeniesienie będzie prowadzić do wydajnego pozyskiwania energii słonecznej i w projekcie badamy w jaki sposób można kontrolować procesy generacji i transportu gorących nośników.
Wyniki badań umożliwią poznanie procesów rządzących generacją gorących elektronów i dziur za pomocą plazmonów w zależności od rodzaju, kształtu, składu, oraz otoczenia nanocząstek metalicznych. Pozwoli to na racjonalne zaprojektowanie wielofunkcyjnych kompleksów do pozyskiwania i konwersji światła w przydatną pracę.
Słowa kluczowe: plazmonika, gorące nośniki ładunku, silne sprzężenie, metalowe nanocząstki, spektra optyczne, DFT, TD-DFT
II. Zastosowanie superkomputera
| Nazwa superkomputera |
| — |
| Uzasadnienie użycia zasobów ICM UW |
| Obliczenia prowadzone są metodą teorii funkcjonału gęstości w układach składających się z kilkuset atomów. Wyznaczany jest stan podstawowy oraz odpowiedź czasowa i w zawiązku z tym wymagane są większe zasoby obliczeniowe niż dostępne w ramach komputerów biurkowych. |
| Obliczenia |
| Obliczenia DTF/TD-DFT oraz analiza wyników były prowadzone za pomocą oprogramowania GPAW (https://gpaw.readthedocs.io/). Obejmowały relaksację struktur atomowych, wyznaczanie stanów podstawowego i wzbudzonego, a także analizę przejść Kohna-Shama i ich dekompozycję przestrzenno-energetyczną. |
| Osiągnięte korzyści |
| Korzyści z zastosowania HPC obejmują: (1) redukcję czasu obliczeń; (2) umożliwienie przeprowadzenia ich większej ilości w celu określenia zależności w szerokim zakresie parametrów; (3) analizę większych układów; oraz (4) dokładniejsze obliczenia dzieki dostępowi do większej ilości godzin CPU. |
III. Efekty projektu
Wynikiem realizacji projektu jest poznanie reżimu silnych oddziaływań pomiędzy nanocząstkami plazmonicznymi z pojedynczymi molekułami tak, aby maksymalizować wydajność oddziaływania. Okazuje się, że nanocząstki metali prostych i szlachetnych pozwalają na silne sprzężenie z molekułami gdy ich rozmiary są rzędu kilku nanometrów. Ozbacza to, że są one idealnie dopasowane do typowych zastosowań katalitycznych, a wprowadzenie silnego sprzężenia do oddziaływania nanocząstka-molekuła prowadzi do istotnych zmian w spektrum absorpcji, spektrum generowanych gorących elektronów i dziur, a także pozwala na modyfikację przestrzennej dystrubycji wygenerowanych ładunków. Bazując na tych wynikach naukowych spodziewamy się, że możliwe będzie w przyszłości odpowiednie dobranie rozmiarów i kształtów nanocząstek aby dopasować się energią plazmonu do przejść molekularych i dzięki silnemu sprzężeniu zwiekszać wydajność proceów chemicznych.
Strony internetowe z opisem i wynikami projektu:
https://www.igf.fuw.edu.pl/pl/projects/research-groups/nanofotonika
https://www.igf.fuw.edu.pl/pl/projects/154
https://www.igf.fuw.edu.pl/pl/projects/148
Wpływ naukowy
Poznanie zasad rządzących silnym sprzężeniem w skali cząstek o wymiarach pojedynczych nanometrów z molekułami pozwoli na projektowanie wydajnych kompleksów do pozyskiwania energii słonecznej, zamianie jej na gorące nośniki ładunku i następnie wykorzystanie w reakcjach chemicznych. Wykorzystanie zasobów HPC pozwoliło na przeprowadzenia szeroko zakrojonych badań nad różnymi typami układów nanocząstka-molekuła w celu poznania ograniczneń i możliwości skalowania tych oddziaływań.
Publikacje
- Rania Zaier, Maria Bancerek, Katarzyna Kluczyk-Korch, Tomasz J. Antosiewicz, Influence of molecular structure on the coupling strength to a plasmonic nanoparticle and hot carrier generation, Nanoscale 16, 12163-12173 (2024).
- Maria Bancerek, Jakub Fojt, Paul Erhart, Tomasz J. Antosiewicz, Origin of Macroscopic Observables of Strongly Coupled Metal Nanoparticle−Molecule Systems from Microscopic Electronic Properties, Journal of Physical Chemistry C 128, 9749-9757 (2024).
- Katarzyna Kluczyk-Korch, Tomasz J. Antosiewicz, „Hot carrier generation in a strongly coupled molecule-plasmonic nanoparticle system, Nanophotonics 12, 1711-1722 (2023).
- Mikael Kuisma, Benjamin Rousseaux, Krzysztof M. Czajkowski, Tuomas P. Rossi, Timur Shegai, Paul Erhart, and Tomasz J. Antosiewicz, Ultrastrong Coupling of a Single Molecule to a Plasmonic Nanocavity: A First-Principles Study, ACS Photonics 9, 1065-1077 (2022).
- Jakub Fojt, Tuomas P. Rossi, Tomasz J. Antosiewicz, Mikael Kuisma, and Paul Erhart, Dipolar coupling of nanoparticle-molecule assemblies: An efficient approach for studying strong coupling, J. Chem. Phys. 154, 094109 (2021).
Znaczenie projektu z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju
Projekt przyczyni się do wydajnego wykorzystania materiałów w celach energetycznych takich jako konwersja światła słonecznego, wspomagana światłem kataliza i/lub reakcje chemiczne na nanocząstkach plazmonicznych. Będzie to możliwe dzięki dopasowaniu rezonansów optycznych nanocząstek i ich silnego sprzężenia z molekułami, prowadzące do optymalizacji/modyfikacji ścieżek reakcji chemicznych.
IV. Graficzna prezentacja wyników
