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哈工大(深圳)师生团队在显色领域和光催化领域取得新突破 相关研究论文入选Science Advances
发布时间:2019-11-02 11:22:00 2603

【哈工大(深圳)宣】(巫云开/文、图)近日,哈工大(深圳)“微纳光电信息系统理论与技术”工信部重点实验室实现了二氧化钛结构色的动态且可逆调控,并首次将超构表面用于光催化效率的增强,为能源利用及环境治理领域提供了新思路。相关研究论文发表于国际著名学术期刊“Science Advances”(影响因子:12.804)上。

研究论文《二氧化钛超构表面:从平面可见光光子学到光化学》(TiO2 metasurfaces: From visible planar photonics to photo chemistry)致力于探索出可稳定、动态且可逆地改变二氧化钛消光系数的工艺,实现二氧化钛超构表面结构色的动态调控,并将超构表面对可见光的局域、增强效果拓展到光化学领域,实现了学科交叉的结合,有望在未来探索出更多有趣的应用。

 在顯色領域:拓展超構表面在實際顯色、信息加密、信息存儲等領域的應用

傳統的顯色方法是利用特定物質吸收部分光,反射其他光的性質來實現,例如染料、油漆、織布等,但其色彩純度、分辨率往往不高。而自然界存在著另一種更優異的顯示工具——結構色,如孔雀羽毛,利用亞波長尺寸的微納結構對光線的散射、衍射等作用,便能呈現出極其逼真、鮮豔的顔色。受此啓發,結構色以其高飽和、高穩定性和高分辨率的優勢,備受科研人員的關注,結構色顯色也成爲了超構表面的一大重要的應用領域。

光學加密是超構表面結構色的一大重要應用領域,而現有技術,如依賴于外部環境改變(如激光或微流體)和拉伸的技術,在便攜應用中仍然面臨著嚴峻的挑戰。相比之下,基于材料本身性能改變的動態色彩更適合于便攜式設備。基于此,該研究團隊開發出一種與CMOS兼容的技術,可以動態且可逆地實現二氧化钛和黑色二氧化钛之間的轉化,從而達到結構色的擦寫和再現,實現構築信息的動態加密和解密,具有較高的循環穩定性,大大拓展了超構表面在實際顯色、加密、信息存儲等領域的應用。如圖1:

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圖1:該技術可以幾乎無損耗且可逆地將二氧化钛轉化爲黑色二氧化钛(圖1a),而不會破壞其內部納米結構。當二氧化钛轉化爲黑色二氧化钛後,其在可見光內的吸收會顯著提升,從而使二氧化钛超構表面原本呈現出的結構色變得暗淡,難以辨認(圖1b和c),而隱匿的顔色信息可以通過將黑色二氧化钛重新變白而重新顯現(圖1c)。

在光催化領域:學科交叉爲能源利用及環境治理領域提供新思路

除了遠場的散射或幹涉效應,被微納結構局域的電場或磁場也有極其巨大的應用潛力。對于半導體材料,當入射光的光子能量大于材料導帶和價帶之間的禁帶寬度,便能把價帶上的基態電子激發到導帶形成光生電子,同時在價帶留下光身空穴。若光生電子和空穴能遷移到材料表面,則有機會在材料表面參與一系列的化學反應,如還原金屬離子,降解有機汙染物,降解水等。二氧化钛本身便是性能優異的光催化材料,在近幾年又成爲優秀的超構表面構築材料,但從未有任何研究將二氧化钛超構表面與光化學領域的應用相結合。

通過構築亞波長尺寸的微納結構,可以把特定波長的光局域在近場,激發出低階甚至高階的電極子或磁極子,它們反過來又會與材料中的電子産生強烈的相互作用,從而激發出更多的高活性電子,使得材料本身的量子效率大大提升。基于此,研究團隊利用微納結構對光場的諧振增強作用,將黑色二氧化钛的光催化效率提升了18.7倍,同時實現了二氧化钛超構表面窄帶波長依賴光催化的應用,將會給光催化技術提供更多更有趣的應用空間,也將爲能源利用及環境治理領域提供新思路。如圖2:

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圖2:利用黑色二氧化钛超構表面對所設計波段的光場諧振增強作用來進一步提升黑色二氧化钛本身的光催化性能(圖2a)。同時,由于二氧化钛超構表面産生的諧振增強峰很窄,超構表面對光催化的諧振增強作用只在設計的峰位附近最強,而在其他波段幾乎沒有增強(圖2b)。

哈工大(深圳)材料科学与工程学院2017级博士生巫云开、杨文宏为共同第一作者,肖淑敏教授和宋清海教授为共同通讯作者,哈工大(深圳)为唯一完成单位和通讯单位。(编辑 吴锐婵)

論文鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaax0939

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