Найден материал с плазмонным резонансом в среднем ИК-диапазоне

В Университете Северной Каролины (NC State) синтезировали материал для будущих плазмонных устройств, реагирующий на излучение в среднем инфракрасном диапазоне. Он первым из известных материалов обеспечивает эффективную работу в этой части спектра, что открывает для него многочисленные приложения: от высокопроизводительных компьютеров, до солнечных батарей и биомедицинского оборудования.

Взаимодействие со светом нового материала базируется на эффекте плазмонного резонанса. При падении света на поверхность раздела между проводником и изолятором, электроны в проводнике начинают колебаться. В результате создается интенсивное электрическое поле, проникающее в диэлектрик, которое может использоваться для решения прикладных задач.

Резонансная частота падающего света определяется характеристиками проводящего материала. Металлы, имеющие высокую плотность электронов, реагируют на короткие волны ультрафиолетового диапазона. Традиционные полупроводники с меньшей, чем у металлов плотностью электронов, имеют частоту резонанса, соответствующую дальнему ИК-спектру. Но промежуток длин волн между ними до сих пор пустовал: ученые не могли найти материалов с эффективным плазмонным резонансом в среднем ИК-диапазоне.

Исследовательская команда NC State синтезировала искомый материал, легировав оксид кадмия редкоземельных элементом диспрозием.

«Обычно при легирования материала мобильность электронов снижается. Но во этом случае мы обнаружили противоположный эффект — с увеличением количества диспрозия эта критическая характеристика возрастала», — отмечено в статье, вышедшей 16 февраля в журнале Nature Materials. Технически, эксперимент показал, что легирование диспрозием уменьшает количество кислородных вакансий в кристалле CdO. Эти дефекты сильно рассеивают электроны и ухудшают их подвижность.

Есть по меньшей мере три практических причины, которые делают такой материал востребованным в науке и индустрии. Во-первых, он позволит преобразовывать в электричество часть солнечной энергии, обычно уходящую в потери. Во-вторых, позволит создать более совершенную технологию молекулярных сенсоров для биологии и медицины. И в-третьих, поможет разрабатывать более быстрые и эффективные устройства оптоэлектроники.