Dans une étude publiée dans Matériaux avancés , chercheurs du Laboratoire national des sciences physiques de Hefei à l'échelle microscopique, l'Université des sciences et technologies de Chine de l'Académie chinoise des sciences, utilisant une stratégie de codopage électron-proton, a inventé un nouveau matériau semi-conducteur de type métal avec d'excellentes performances de résonance plasmonique. Ce matériau atteint une concentration de porteurs libres ultra-élevée semblable à un métal qui conduit à un champ plasmonique puissant et accordable.

Les matériaux plasmoniques sont largement utilisés dans les domaines tels que la microscopie, sentir, calcul optique et photovoltaïque. Les matériaux plasmoniques les plus courants sont l'or et l'argent. Certains autres matériaux présentent également des propriétés optiques similaires à celles du métal, mais ne sont que médiocres dans des gammes de longueurs d'onde limitées.

Dans les années récentes, beaucoup d'efforts ont été faits pour trouver des matériaux plasmoniques de haute performance à l'exclusion des métaux nobles. Les matériaux semi-conducteurs à oxyde métallique ont des propriétés riches et ajustables telles que la lumière, électricité, Chauffer, et le magnétisme. Le traitement d'hydrogénation peut modifier efficacement leur structure électronique pour atteindre des effets plasmon riches et ajustables. C'est un défi d'augmenter de manière significative la concentration intrinsèquement faible de porteurs libres dans les matériaux à base d'oxyde métallique.

Les chercheurs de cette étude ont développé une stratégie de codopage électron-proton avec des calculs théoriques. Ils ont hydrogéné le matériau semi-conducteur MoO 3 via un traitement métal-acide simplifié dans des conditions douces, réaliser la transition de phase isolant-métal contrôlable, qui augmentent considérablement la concentration de porteurs libres dans le matériau d'oxyde métallique.

La concentration en électrons libres dans le MoO hydrogéné 3 matière est équivalente à celle du métal précieux. Cette propriété fait que la réponse de résonance plasmon du matériau passe du domaine proche infrarouge au domaine de la lumière visible. La réponse de résonance plasmon du matériau a à la fois un gain et une capacité de réglage élevés.

À l'aide de caractérisations spectroscopiques ultrarapides et de simulations de premier principe, les chercheurs ont démêlé la structure de bande d'énergie quasi-métallique dans le HxMoO dopé à l'hydrogène 3 avec ses caractéristiques dynamiques de réponses plasmoniques.

Pour vérifier leur modification, ils ont effectué les spectres Raman améliorés en surface (SERS) des molécules de rhodamine 6G sur le matériau. Le résultat a montré que le facteur d'amélioration du SERS atteignait 1,1 × 10 ⁷ avec une limite de détection à une concentration aussi faible que 1 × 10 ^-9 mol/L.

Cette étude a développé une stratégie générale pour augmenter la concentration de porteurs libres dans un système de matériau semi-conducteur non métallique, qui a non seulement réalisé un matériau de phase quasi-métallique avec un effet plasmon fort et accordable à faible coût, mais aussi considérablement élargi la gamme variable des propriétés physiques et chimiques des matériaux semi-conducteurs. Il fournit une idée unique et des conseils pour la conception de nouveaux matériaux fonctionnels d'oxyde métallique.