非金屬高性能等離激元效應實現

2020-12-17 中安在線

　　中安在線、中安新聞客戶端訊 記者12月16日從中科大獲悉，該校教授羅毅、張群、江俊團隊在基於金屬氧化物半導體材料的等離激元學研究方面取得突破性進展，他們採用最新發展的「電子-質子協同摻氫」策略，實現類金屬的超高自由載流子濃度，從而獲得了強且可調的等離激元效應。該成果近日在線發表於《先進材料》。

　　表面等離激元起源於金屬或高摻雜半導體納米結構中類自由電子在外電磁場激發下, 電子運動與電磁場互相激勵產生的共諧振蕩，該效應可以使貴金屬等納米顆粒具有豐富的光學性質。

　　在傳統貴金屬之外，探索具有高性能等離激元效應的非金屬新材料，是當前等離激元學基礎研究及應用研發的熱點。金屬氧化物半導體材料具有豐富可調的光、電、熱、磁等性質，對其採取氫化處理可有效修飾其電子結構，從而獲得豐富可調的等離激元效應，但關鍵挑戰在於如何顯著提高這類材料的低自由載流子濃度。

　　基於「電子-質子協同摻氫」策略，中國科大團隊實現三氧化鉬半導體材料在溫和條件下的可控加氫，大幅提升了該材料自由載流子濃度。氫化後的三氧化鉬自由電子濃度與貴金屬相當，使得該材料等離激元共振響應從近紅外區移至可見光區，且兼具強增益及可調性。

　　這項工作創新性地發展出一種調控非金屬半導體材料系統中自由載流子濃度的一般性策略，不僅低成本地實現了具有強且可調的等離激元效應的準金屬相材料，而且顯著地拓寬了半導體材料物化性質的可變範圍，為新型金屬氧化物功能材料的設計提供了新思路。（通訊員 桂運安 記者 汪喬）

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    ，發現電子-等離激元耦合對石墨烯電子輸運過程中的量子相干性有極大的增強效應，並實現氧化物界面二維電子氣自旋軌道耦合的光學調控。 在固體中運動的電子與不同準粒子（聲子、極化子等等）之間的多體耦合作用會導致一系列重要的物理效應。例如，電子-聲子相互作用可以使自旋相反的電子形成庫珀對從而引發超導。另一方面，等離激元是大量電子集體相干振蕩形成的準粒子。近年來等離激元的量子特性陸續被發現，例如，以往的實驗揭示量子糾纏在經歷了從光子到等離激元再到光子的轉化過程後仍然得以保持。
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  • 等離激元從固體到原子分子的演化圖像 | NSR
    研究者製備了原子數為100到70,000的金團簇，並測定其等離激元性質，構建出了等離激元物理從固態到原子分子演化過程的圖像。而團簇作為從原子、分子到凝聚態物質的過渡物質聚集形態，是研究等離激元演化的理想載體。 　　近期，南京大學、南方科技大學、國防科技大學、中科院物理所和國家納米科學中心等單位的聯合團隊基於不同質量的金團簇，對等離激元的演化過程進行了研究。在這項工作中，研究者將等離激元演化的極限推到原子分子尺度，展示出一個原子數依賴的等離激元物理的演化圖。
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    這種現象實質上是由於費米能級附近導帶上的自由電子在與入射光場相互作用下在金屬表面發生的集體振蕩,產生所謂的局域表面等離激元共振（LSPR）。當這種LSPR弛豫時會產生大量的熱電子，可被廣泛應用在光電探測領域。    石墨烯作為一種理想的光電傳導材料，具有單原子層的厚度和高電子遷移率，以及寬帶吸收等眾多優異的光電性質。