等离子体共振增强掺银Sb?Te?量子点薄膜的光热转换效率

《Optical Materials》：Plasmonic Resonances Enhanced Photothermal Conversion in Ag-Doped Sb 2Te 3 Quantum Dot Films

拓扑绝缘体纳米颗粒的光学与光热性能研究，特别是Sb?Te?量子点与Ag纳米颗粒的复合薄膜。通过理论模拟和系统实验发现，5-100 nm的纳米颗粒因有限尺寸效应产生离散拓扑表面态，增强电子介导的声子-光子耦合（如STP模式）。实验表明520 nm波长下复合薄膜吸光率达97%，60秒内表面温升达51.4°C。Raman和TEM证实量子点均匀分布及薄膜结构。Ag纳米颗粒通过刺激表面等离子体共振显著提升光热效率，为拓扑效应在光热转换中的应用提供新证据。

　　

李欣|余志勇|吴振华|郭晨晨|Khay Wai See|岳增基|万正芬

上海科技大学人工智能科学与技术学院，中国上海200093

摘要

本研究探讨了拓扑绝缘体纳米粒子的光学和光热性质，特别关注了与银（Ag）纳米粒子结合的Sb₂Te₃量子点。由于纳米粒子的尺寸有限（5 < R/nm < 100），出现了离散的拓扑表面态，从而促进了独特的电子介导的声子-光子耦合现象，例如表面拓扑粒子模式。通过理论模拟和系统实验（包括在450 nm、520 nm和638 nm不同波长及功率下的光热响应分析），证明了Sb₂Te₃/Ag复合薄膜具有显著增强的光热性能。特别是在520 nm的最佳波长下，Sb₂Te₃/Ag薄膜实现了接近完全的光吸收（高达97%），并在60秒内使温度迅速升高至51.4 °C。拉曼光谱和透射电子显微镜的全面表征证实了量子点的均匀分布和形态一致性。银纳米粒子的整合有效激发了表面等离子体共振，大大提高了光热效率。这些发现不仅直接证明了拓扑绝缘体纳米粒子中之前未报道的拓扑光学效应，还展示了它们在纳米尺度热管理和光电器件中的广泛应用潜力。

引言

等离子体是金属和掺杂导体中电子气的集体振荡，由库仑力维持并受电磁场驱动。在体材料中，它们表现为体模式；在平面界面处，它们与光子混合产生表面等离子体极化子；当电子被限制在亚波长纳米结构中时，它们形成局域表面等离子体（LSP）。这些共振将光学能量集中在亚衍射体积内，从而增强了近场、散射和吸收截面以及光子态密度。光谱位置、线宽和模式结构取决于材料的复介电常数、谐振器几何形状和特征尺寸、其介电环境以及耗散机制（如朗道阻尼、带间跃迁和表面散射）。现代等离子体学利用这些特性在纳米尺度上操控光与物质的相互作用。金属颗粒和薄膜实现了无标记的折射率传感器、表面增强拉曼光谱和红外光谱，以及光热热生成。引导表面等离子体极化子支持紧凑的波导、片上耦合以及在超表面中的相位、幅度和偏振控制。除了贵金属外，还有其他等离子体平台，包括重掺杂半导体、透明导电氧化物、难熔氮化物和原子级薄导体。这些材料将功能扩展到近红外、中红外、太赫兹和高温区域。理论描述从德鲁德-洛伦兹模型和准静态模型发展到全波电动力学和非局部或量子修正框架，以实现预测性和逆向设计。

拓扑绝缘体（TIs）是一种量子物质相，其特征是绝缘的体相和金属的、对称性保护的边界态。与传统绝缘体（通过局部序参数分类）不同，TIs由全局拓扑不变量索引。最显著的是时间反演对称系统中的$$不变量，该不变量源自贝里相位。体-边界对应关系要求表面（3D）或边缘（2D）模式具有狄拉克锥形色散。自旋-轨道耦合将自旋与动量锁定在一起，禁止非磁性无序引起的180°背散射，并实现低耗散传输。在二维中，量子自旋霍尔态在没有磁场的情况下实现了螺旋边缘通道，首次在HgTe/CdTe量子阱中观察到，后来在单层WTe₂中也有发现。角分辨光电子发射和扫描隧道光谱映射了Bi₂Se₃、Bi₂Te₃及相关硫属化合物中的狄拉克表面谱；传输特性揭示了弱反局域化和π-贝里相位特征。除了强拓扑绝缘体和弱拓扑绝缘体外，晶体对称性还保护了具有铰链或刻面模式的更高阶相，拓宽了稳健的边界通道。

利用这些特性，TIs与LSP结合，实现了深度亚波长场限制以及电学和磁学的可调性。已报道的应用包括可重构的等离子体全息图和高折射率监测器。工程化的几何结构包括用于动量匹配的光栅、用于模式混合的核心-壳层纳米粒子，以及用于实现非凡传输的亚波长狭缝或沟槽阵列。这些设计调整了光谱响应并增强了光与物质的相互作用。在这些平台上，由于等离子体热点与无能隙狄拉克表面态之间的高效耦合，LSP性能得到了显著提升，后者提供了高表面导电性、强的带间光学矩阵元素以及通过栅控或补偿掺杂实现的载流子密度可调性。

已经可靠地制备了多种纳米结构，如纳米带和薄膜。然而，包括球形或菱形形状在内的各向同性拓扑绝缘体纳米粒子（TINPs）的合成在技术上仍然具有挑战性。因此，这些纳米粒子的光学性质尚未得到广泛实验研究。对于其他TI纳米结构（如纳米片和纳米片层），光谱模式识别和分类一直是活跃的研究领域，尽管该领域的发现往往存在争议。例如，在拉曼和光学光谱实验中观察到的异常峰被归因于表面氧化、声子限制效应、未经验证的拓扑效应，或者简单地未被分类。TINPs中的离散能级结构诱导了一种新的电子介导的声子-光子耦合效应，发生在可见光谱范围内。在小型TINPs（5 < R/nm < 100）中，由于尺寸有限效应，连续的狄拉克锥结构变得离散，形成了一组类似于量子点（QDs）的离散能级。在光照下，这些离散的拓扑表面态之间的跃迁可能发生在与体声子激发频率相当的能量范围内，导致一种称为表面拓扑粒子（STP）模式的明显Fano共振。这种模式共振可以与局域表面等离子体极化子混合，引起强烈的局部场增强。本研究提供了实验证据，支持TINPs的光谱中存在先前未识别的拓扑效应光学贡献。在本文中，我们合成了Sb₂Te₃量子点薄膜和Sb₂Te₃/Ag复合薄膜，使用FDTD预测它们的吸收共振，并通过实验验证了其特征。在520 nm激发下，复合薄膜实现了接近完全的光吸收（约97%）和在60秒内表面温度迅速升高至约51.4 °C，证明了STP贡献的存在及其在光热转换中的实用性。

结果与讨论

图1展示了Sb₂Te₃/Ag量子点薄膜的光热效应工作原理。最初，入射光照射到沉积在SiO₂基底上的Sb₂Te₃/Ag量子点薄膜上。在光照下，量子点表面的电子被激发，产生局域表面等离子体共振（SPR），表现为波浪形的彩色线条。通过SPR，电子通过振荡将能量传递给晶格中的声子，从而对材料表面产生热效应（如右侧所示）

结论

本研究提出了一种基于TI材料Sb₂Te₃的量子点薄膜器件，在520 nm波长下实现了高达97%的高光学吸收效率。在60秒的激光照射下，器件的局部最高温度迅速达到51.4 °C，整体平均温度超过39°C。实验结果证实，将Sb₂Te₃量子点与银纳米粒子结合有效地激发了量子点表面的SPR，显著提高了光热转换效率

CRediT作者贡献声明

万正芬：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资金获取，概念化。岳增基：撰写 – 审稿与编辑，研究，概念化。Khay Wai See：撰写 – 审稿与编辑。郭晨晨：撰写 – 审稿与编辑。吴振华：撰写 – 审稿与编辑。余志勇：研究。李欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，数据管理

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

万正芬感谢国家自然科学基金（项目编号：62105206）的支持。作者还感谢上海市科学技术委员会（项目编号：21DZ1100500）、上海市重大科技项目和上海前沿科学中心计划（2021-2025年项目编号20）的资助支持。