In een studie gepubliceerd in Geavanceerde materialen , onderzoekers van Hefei National Laboratory for Physical Sciences op microschaal, de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China van de Chinese Academie van Wetenschappen, met behulp van een elektron-proton co-doping strategie, vond een nieuw metaalachtig halfgeleidermateriaal uit met uitstekende plasmonische resonantieprestaties. Dit materiaal bereikt een metaalachtige ultrahoge vrije-dragerconcentratie die leidt tot een sterk en afstembaar plasmonveld.

Plasmonische materialen worden veel gebruikt op het gebied van microscopie, voelen, optische informatica en fotovoltaïsche energie. De meest voorkomende plasmonische materialen zijn goud en zilver. Sommige andere materialen vertonen ook metaalachtige optische eigenschappen, maar presteren gewoon slecht in beperkte golflengtebereiken.

In recente jaren, er is veel moeite gedaan om hoogwaardige plasmonische materialen te vinden, met uitzondering van edele metalen. Metaaloxide halfgeleidermaterialen hebben rijke en afstembare eigenschappen zoals licht, elektriciteit, warmte, en magnetisme. Hydrogeneringsbehandeling kan hun elektronische structuur effectief wijzigen om rijke en afstembare plasmoneffecten te bereiken. Het is een uitdaging om de intrinsiek lage concentratie van vrije dragers in metaaloxidematerialen significant te verhogen.

De onderzoekers in dit onderzoek ontwikkelden met theoretische berekeningen een elektron-proton co-dopingstrategie. Ze hydrogeneerden het halfgeleidermateriaal MoO ₃ via een vereenvoudigde metaalzuurbehandeling bij milde omstandigheden, het realiseren van de regelbare isolator-naar-metaal faseovergang, die de concentratie van vrije dragers in het metaaloxidemateriaal aanzienlijk verhogen.

De vrije elektronenconcentratie in het gehydrogeneerde MoO ₃ materiaal gelijk is aan dat van het edelmetaal. Deze eigenschap zorgt ervoor dat de plasmonresonantierespons van het materiaal van het nabij-infraroodgebied naar het zichtbare lichtgebied gaat. De plasmonresonantierespons van het materiaal heeft zowel een sterke versterking als instelbaarheid.

Met behulp van ultrasnelle spectroscopiekarakteriseringen en eerste-principesimulaties, de onderzoekers ontrafelden de quasi-metalen energiebandstructuur in het met waterstof gedoteerde HxMoO ₃ met zijn dynamische kenmerken van plasmonische reacties.

Om hun wijziging te verifiëren, ze voerden de oppervlakteversterkte Raman-spectra (SERS) van rhodamine 6G-moleculen op het materiaal uit. Het resultaat toonde aan dat de SERS-verbeteringsfactor zo hoog was als 1,1 × 10 ⁷ met een detectielimiet bij een concentratie zo laag als 1 × 10 ^-9 mol/L.

Deze studie ontwikkelde een algemene strategie om de concentratie van vrije dragers in een niet-metalen halfgeleidermateriaalsysteem te verhogen, die niet alleen een quasi-metaalfasemateriaal met een sterk en afstembaar plasmoneffect tegen lage kosten realiseerde, maar ook aanzienlijk verbreed het variabele bereik van de fysische en chemische eigenschappen van halfgeleidermaterialen. Het biedt een uniek idee en begeleiding voor het ontwerpen van nieuwe functionele metaaloxidematerialen.