In uno studio pubblicato su Materiale avanzato , ricercatori dell'Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale, l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina dell'Accademia Cinese delle Scienze, utilizzando una strategia di co-drogaggio elettrone-protone, ha inventato un nuovo materiale semiconduttore simile al metallo con eccellenti prestazioni di risonanza plasmonica. Questo materiale raggiunge una concentrazione di portatori liberi ultraelevata simile al metallo che porta a un campo plasmonico forte e sintonizzabile.

I materiali plasmonici sono ampiamente utilizzati nei campi tra cui la microscopia, rilevamento, informatica ottica e fotovoltaico. I materiali plasmonici più comuni sono oro e argento. Alcuni altri materiali mostrano anche proprietà ottiche simili al metallo, ma hanno prestazioni scadenti in intervalli di lunghezze d'onda limitati.

Negli ultimi anni, sono stati fatti molti sforzi per trovare materiali plasmonici ad alte prestazioni esclusi i metalli nobili. I materiali semiconduttori di ossido di metallo hanno proprietà ricche e regolabili come luce, elettricità, calore, e magnetismo. Il trattamento di idrogenazione può modificare efficacemente la loro struttura elettronica per raggiungere effetti plasmonici ricchi e sintonizzabili. È una sfida aumentare significativamente la concentrazione intrinsecamente bassa di vettori liberi nei materiali a base di ossido di metallo.

I ricercatori di questo studio hanno sviluppato una strategia di co-drogaggio elettrone-protone con calcoli teorici. Hanno idrogenato il materiale semiconduttore MoO ₃ tramite un trattamento acido-metallico semplificato in condizioni blande, realizzando la transizione di fase controllabile da isolante a metallo, che aumentano significativamente la concentrazione di vettori liberi nel materiale di ossido di metallo.

La concentrazione di elettroni liberi nel MoO . idrogenato ₃ materiale è equivalente a quello del metallo prezioso. Questa proprietà fa sì che la risposta di risonanza plasmonica del materiale si muova dall'area del vicino infrarosso all'area della luce visibile. La risposta alla risonanza plasmonica del materiale ha sia un forte guadagno che una regolazione.

Utilizzando caratterizzazioni spettroscopiche ultraveloci e simulazioni di primo principio, i ricercatori hanno svelato la struttura a banda di energia quasi metallica nell'HxMoO . drogato con idrogeno ₃ con le sue caratteristiche dinamiche di risposte plasmoniche.

Per verificarne la modifica, hanno eseguito gli spettri Raman con superficie potenziata (SERS) di molecole di rodamina 6G sul materiale. Il risultato ha mostrato che il fattore di miglioramento SERS ha raggiunto l'1,1 × 10 ⁷ con un limite di rilevabilità a una concentrazione di appena 1 × 10 ^-9 mol/l.

Questo studio ha sviluppato una strategia generale per aumentare la concentrazione di portatori liberi in un sistema di materiali semiconduttori non metallici, che non solo ha realizzato un materiale di fase quasi metallico con effetto plasmonico forte e sintonizzabile a basso costo, ma ha anche ampliato significativamente la gamma variabile delle proprietà fisiche e chimiche dei materiali semiconduttori. Fornisce un'idea e una guida uniche per la progettazione di nuovi materiali funzionali in ossido di metallo.