最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心羅毅教授、張群教授、江俊教授研究團(tuán)隊(duì)在基于金屬氧化物半導(dǎo)體材料的等離激元學(xué)研究方面取得突破性進(jìn)展，采用新發(fā)展的電子-質(zhì)子協(xié)同摻氫策略，實(shí)現(xiàn)了類金屬的超高自由載流子濃度，從而獲得強(qiáng)且可調(diào)的等離激元效應(yīng)。研究成果以“Hydrogen-Doping-Induced Metal-Like Ultrahigh Free-Carrier Concentration in Metal-Oxide Material for Giant and Tunable Plasmon Resonance”為題在線發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma. 202004059）。

在傳統(tǒng)貴金屬（金、銀等）之外發(fā)掘出具有高性能等離激元效應(yīng)的非金屬新材料，是當(dāng)前等離激元學(xué)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)與難點(diǎn)。金屬氧化物半導(dǎo)體材料具有豐富可調(diào)的光、電、熱、磁等性質(zhì)，對(duì)其采取氫化處理可有效修飾其電子結(jié)構(gòu)，從而獲得豐富可調(diào)的等離激元效應(yīng)；此處的一個(gè)關(guān)鍵性挑戰(zhàn)在于如何顯著提高金屬氧化物半導(dǎo)體材料內(nèi)稟的低自由載流子濃度?；谠撗芯繄F(tuán)隊(duì)新近發(fā)展的、理論模擬計(jì)算指導(dǎo)下的電子-質(zhì)子協(xié)同摻氫策略，在本工作中研究人員采用簡(jiǎn)便易行的金屬-酸溶液原位聯(lián)合處理方法實(shí)現(xiàn)了金屬氧化物MoO₃半導(dǎo)體材料在溫和條件下的可控加氫（即實(shí)現(xiàn)了“本征半導(dǎo)體→準(zhǔn)金屬”的可控相變），從而突破性地大幅提升了該材料中的自由載流子濃度。研究表明，氫化后的MoO₃材料中自由電子濃度與貴金屬相當(dāng)（譬如H_1.68MoO₃：~10²¹cm^-3；Au/Ag：~1022cm^-3），這使得該材料的等離激元共振響應(yīng)從近紅外區(qū)移至可見光區(qū)，且兼具強(qiáng)增益及可調(diào)性。結(jié)合第一性原理模擬計(jì)算和以超快光譜為主的多種物性表征，研究人員進(jìn)一步揭示出該協(xié)同摻氫所導(dǎo)致的準(zhǔn)金屬能帶結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的等離激元?jiǎng)恿W(xué)性質(zhì)。作為效果驗(yàn)證，研究人員在一系列表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）實(shí)驗(yàn)中證實(shí)該材料表面等離激元局域強(qiáng)場(chǎng)可使吸附的羅丹明6G染料分子的SERS增強(qiáng)因子高達(dá)1.1×10⁷（相較于一般半導(dǎo)體的10^4?5和貴金屬的10^7?8），檢測(cè)靈敏限低至納摩量級(jí)（1×10^-9mol L^-1）。

這項(xiàng)工作創(chuàng)新性地發(fā)展出一種調(diào)控非金屬半導(dǎo)體材料系統(tǒng)中自由載流子濃度的一般性策略，不僅低成本地實(shí)現(xiàn)了具有強(qiáng)且可調(diào)的等離激元效應(yīng)的準(zhǔn)金屬相材料，而且顯著地拓寬了半導(dǎo)體材料物化性質(zhì)的可變范圍，為新型金屬氧化物功能材料的設(shè)計(jì)提供了嶄新的思路和指導(dǎo)。

合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的朱青博士（合成與表征）、江申龍博士（譜學(xué)表征）、葉科博士（理論模擬計(jì)算）為該論文的共同第一作者。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省引導(dǎo)專項(xiàng)及中科院的項(xiàng)目資助。

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