Forskere udvikler ultrahøjtydende plasmoniske metaloxidmaterialer

I en undersøgelse offentliggjort i Avancerede materialer , forskere fra Hefei National Laboratory for Physical Sciences på Microscale, University of Science and Technology of China fra det kinesiske videnskabsakademi, ved at bruge en elektron-proton co-doping strategi, opfundet et nyt metallignende halvledermateriale med fremragende plasmonisk resonansydelse. Dette materiale opnår en metallignende ultrahøj fri bærerkoncentration, der fører til stærkt og afstembart plasmonisk felt.

Plasmoniske materialer er meget udbredt inden for felterne, herunder mikroskopi, sansning, optisk computing og fotovoltaik. De mest almindelige plasmoniske materialer er guld og sølv. Nogle andre materialer viser også metallignende optiske egenskaber, men fungerer kun dårligt i begrænsede bølgelængdeområder.

I de seneste år, der er gjort en stor indsats for at finde højtydende plasmoniske materialer, eksklusive ædelmetaller. Metaloxid halvleder materialer har rige og afstemmelige egenskaber som lys, elektricitet, varme, og magnetisme. Hydrogeneringsbehandling kan effektivt ændre deres elektroniske struktur for at nå rige og afstembare plasmoneffekter. Det er en udfordring at øge den iboende lave koncentration af frie bærere i metaloxidmaterialer betydeligt.

Forskerne i denne undersøgelse udviklede en elektron-proton co-dopingstrategi med teoretiske beregninger. De hydrogenerede halvledermaterialet MoO ₃ via en forenklet metal-syrebehandling ved milde tilstande, realisere den kontrollerbare isolator-til-metal faseovergang, som signifikant øger koncentrationen af ​​frie bærere i metaloxidmaterialet.

Den frie elektronkoncentration i det hydrogenerede MoO ₃ materiale svarer til det for ædle metaller. Denne egenskab får materialets plasmonresonansreaktion til at bevæge sig fra det nære infrarøde område til det synlige lysområde. Materialets plasmonresonansrespons har både stærk forstærkning og justerbarhed.

Ved hjælp af ultrahurtige spektroskopi-karakteriseringer og første-princip-simuleringer, forskerne afslørede den kvasi-metalliske energibåndsstruktur i det hydrogen-dopede HxMoO ₃ med dens dynamiske egenskaber ved plasmoniske reaktioner.

For at kontrollere deres ændring, de udførte de overfladeforstærkede Raman-spektre (SERS) af rhodamin 6G-molekyler på materialet. Resultatet viste, at SERS -forbedringsfaktoren nåede så højt som 1,1 × 10 ⁷ med en detektionsgrænse ved koncentration så lav som 1 × 10 ^-9 mol/L.

Denne undersøgelse udviklede en generel strategi for at øge koncentrationen af ​​frie bærere i et ikke-metal halvleder materialesystem, som ikke kun realiserede et kvasi-metallisk fasemateriale med stærk og afstembar plasmoneffekt til lave omkostninger, men også betydeligt udvidet det variable område af halvledermaterialers fysiske og kemiske egenskaber. Det giver en unik idé og vejledning til at designe nye funktionelle metaloxidmaterialer.