【產通社，12月30日訊】中國科學技術大學（University of Science and Technology of China, USTC）官網消息，其合肥微尺度物質科學國家研究中心羅毅教授、張群教授、江俊教授研究團隊最近在基于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，采用新發(fā)展的電子-質子協同摻氫策略，實現了類金屬的超高自由載流子濃度，從而獲得強且可調的等離激元效應。研究成果以“Hydrogen-Doping-Induced Metal-Like Ultrahigh Free-Carrier Concentration in Metal-Oxide Material for Giant and Tunable Plasmon Resonance”為題在線發(fā)表于《先進材料》（Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.202004059）。

在傳統貴金屬（金、銀等）之外發(fā)掘出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(fā)的一個熱點與難點。金屬氧化物半導體材料具有豐富可調的光、電、熱、磁等性質，對其采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；此處的一個關鍵性挑戰(zhàn)在于如何顯著提高金屬氧化物半導體材料內稟的低自由載流子濃度�；谠撗芯繄F隊新近發(fā)展的、理論模擬計算指導下的電子-質子協同摻氫策略，在本工作中研究人員采用簡便易行的金屬-酸溶液原位聯合處理方法實現了金屬氧化物MoO3半導體材料在溫和條件下的可控加氫（即實現了“本征半導體→準金屬”的可控相變），從而突破性地大幅提升了該材料中的自由載流子濃度。研究表明，氫化后的MoO3材料中自由電子濃度與貴金屬相當（譬如H1.68MoO3：~1021cm-3；Au/Ag：~1022cm-3），這使得該材料的等離激元共振響應從近紅外區(qū)移至可見光區(qū)，且兼具強增益及可調性。結合第一性原理模擬計算和以超快光譜為主的多種物性表征，研究人員進一步揭示出該協同摻氫所導致的準金屬能帶結構及相應的等離激元動力學性質。作為效果驗證，研究人員在一系列表面增強拉曼光譜（SERS）實驗中證實該材料表面等離激元局域強場可使吸附的羅丹明6G染料分子的SERS增強因子高達1.1×107（相較于一般半導體的104?5和貴金屬的107?8），檢測靈敏限低至納摩量級（1×10-9mol L-1）。

這項工作創(chuàng)新性地發(fā)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范圍，為新型金屬氧化物功能材料的設計提供了嶄新的思路和指導。

合肥微尺度物質科學國家研究中心的朱青博士（合成與表征）、江申龍博士（譜學表征）、葉科博士（理論模擬計算）為該論文的共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省引導專項及中科院的項目資助。

查詢進一步信息，請訪問官方網站http://news.ustc.edu.cn/xwbl，以及http://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202004059。（張怡，產通發(fā)布）     （完）