Речь идет о явлении, называемом поверхностным плазмонным резонансом. Это когда исследователи освещают границу раздела между проводящим и изолирующим материалом. Если угол, поляризация и длина волны падающего света правильные, электроны в проводнике начинают колебаться.
Эти колебания создают интенсивное электрическое поле, распространяющееся на изолятор, которое можно использовать во всем, от биомедицинских датчиков до солнечных батарей или оптоэлектронных устройств.Длина волны света, вызывающего эти колебания, зависит от природы проводящего материала. Материалы с высокой плотностью свободных электронов (например, металлы) реагируют на короткие волны света, например, в ультрафиолетовом диапазоне.
Материалы с более низкой электронной плотностью (например, обычные полупроводники) реагируют на длинные волны света, например, в дальнем ИК-диапазоне. Но до сих пор существовал огромный пробел — ученые не могли идентифицировать материалы, которые могли бы поддерживать эффективный поверхностный плазмонный резонанс при нацеливании с длинами волн света в среднем ИК-диапазоне (то есть между 1500 и 4000 волновых чисел).«Есть по крайней мере три практических причины желать идентифицировать материалы, которые проявляют поверхностный плазмонный резонанс в ответ на свет среднего ИК-диапазона», — говорит доктор Джон-Пол Мария, автор статьи о работе и профессор материаловедения и инжиниринг в NC State.«Во-первых, это могло бы сделать технологию сбора солнечной энергии более эффективной за счет использования преимуществ средних длин волн света — этот свет не будет тратиться впустую.
Во-вторых, это позволит нам разработать более совершенную технологию молекулярного зондирования для использования в биомедицинских приложениях. В-третьих, это позволит нам разрабатывать более быстрые и эффективные оптоэлектронные устройства », — говорит Мария.«Мы синтезировали такой материал и показали, что он эффективно демонстрирует поверхностный плазмонный резонанс с низкими потерями в среднем ИК-диапазоне», — говорит Мария. Другими словами, он эффективно преобразует свет среднего ИК-диапазона в колеблющиеся электроны.
В частности, исследовательская группа «легировала» оксид кадмия редкоземельным элементом под названием диспрозий, что означает, что небольшое количество диспрозия было добавлено к оксиду кадмия без изменения кристаллической структуры материала.Это делает две вещи. Во-первых, он создает в материале свободные электроны. Во-вторых, это увеличивает подвижность электронов.
В целом, это позволяет свету среднего ИК-диапазона эффективно вызывать колебания электронов.«Обычно, когда вы добавляете материал, подвижность электронов снижается», — говорит Мария. «Но в этом случае мы обнаружили обратное — большее количество легирования диспрозием увеличивает эту критическую характеристику. С технической точки зрения наши эксперименты показали, что легирование Dy снижает количество кислородных вакансий в кристалле CdO.
Кислородные вакансии, которые соответствуют местам, где кислород атомы отсутствуют, они являются сильными рассеивателями электронов и мешают движению электронов. Проще говоря, устраняя эти дефекты, электроны меньше рассеиваются и становятся более подвижными ».Статья «Оксид кадмия, легированный диспрозием: материал для перехода в среднюю инфракрасную плазмонику» была опубликована в Интернете 16 февраля в журнале Nature Materials.
Ведущий автор статьи — доктор философии Эдвард Саше. студент NC State. Соавторы включают Кристофера Шелтона, Джошуа Харриса, Бенджамина Гэдди и докторов наук. Дуг Ирвинг и Стефан Франзен из штата Северная Каролина; Доктор Стефано Куртароло из Университета Дьюка; Брайан Донован и доктор Патрик Хопкинс из Университета Вирджинии; и доктора. Питер Шарма, Ана Лима Шарма и Джон Ихлефельд из Sandia National Laboratories.
Исследование поддержано Национальным научным фондом по грантам CHE-1112017 и DMR-1151568, Управлением научных исследований ВВС США по гранту FA9550-14-1-0067 и Управлением военно-морских исследований по гранту N00014-13-4- 0528.