光与物质的相互作用是众多物理和化学过程的基础,而纳米材料的研究与发展为光利用领域提供了前所未有的机会,尤其是纳米等离子学。基于局域等离子体共振效应(LSPR),等离子体材料可以按需设计,并且具有增强的光捕获和收集能力,可用于不同的领域,包括生物检测、纳米光学器件、能源储存和转换等。然而,金属等离子体材料不可避免的存在吸收损失,而且材料较为局限,目前使用最多的等离子体材料是金银铜等金属材料,其自由电子密度很高,这也限制了共振频率主要分布于紫外到近红外波段。除了贵金属之外,研究人员已经在石墨烯、重掺杂半导体以及过渡金属氧化物和硫化物材料体系中观测到相应的等离子体共振信号。相对于贵金属材料,半导体等离子体材料不仅具有良好的LSPR调谐性,最关键的优势在于通过元素掺杂、缺陷控制、相变等手段,其自由载流子密度可以在更大范围内有效调控。近年来,非晶等离子体材料的出现为探索光与物质的相互作用提供了前所未有的机会,但截至目前,只有为数很少的关于非晶等离子体材料的报道。

郑州大学材料科学与工程学院许群教授课题组在非晶等离子体材料的研究方面取得了一系列原创性研究成果(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1600-1604; Chemistry-AnAsian Journal 2017, 12, 2980-2984),受到了国内外同行的广泛关注。最近,许群教授应邀撰写了题为“Amorphous Materials for Enhanced Localized SurfacePlasmonResonances”的综述文章(Chemistry-AnAsianJournal2018, 13, 730-739)

文章首先描述了非晶材料中的等离子体共振效应,相比于其对应的结晶结构,非晶材料中载流子密度更大,可调谐性更好,在生物检测、催化等领域表现出良好的应用潜力。其次,论文系统地总结了非晶材料等离子体共振效应的调控手段,包括通过引入掺杂原子(H+)、晶格空穴和异质原子取代等手段来精确调控非晶材料中的载流子密度,从而诱导等离子体共振效应。最后,文章结合实例,全面探讨了结晶度对于等离子体共振效应的影响,并总结了不同的非晶形式,如非晶阵列、非晶基底等对等离子体共振效应的影响。

作为一个新兴的领域,非晶等离子体材料还存着很多未知的挑战和机会。许群教授课题组开启的二维非晶结构中的等离子体共振效应的研究,可以借助二维材料的尺寸效应及独特的能带结构,实现传统等离子体材料难以实现的功能。同时,理解非晶结构中的尺寸效应以及无序的晶体结构也为我们在原子尺度上探究光与物质相互作用提供了一个新的平台,为新现象的发现和新原理的提出提供可能。希望这篇综述能够为对非晶等离子体材料感兴趣的更多年轻科学家起到引领作用。详情请点击“阅读原文”。

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