周林/朱嘉团队在碱金属等离激元动态调控方面取得新进展

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近日，南京大学现代工程与应用科学学院周林/朱嘉研究团队在碱金属等离激元的电学动态调控研究方面取得新进展。结合锂金属的电化学特性及选择性沉积/剥离，完成非连续金属-介质-金属三明治光栅结构和连续的单界面光栅结构之间的可控切换，从而实现磁等离激元共振和表面等离激元共振之间的动态调控。相关论文“Electrical Dynamic Switching of Magnetic Plasmon Resonance Based on Selective Lithium Deposition”近期发表在Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.202000058）。
        表面等离激元是电磁波与金属表面自由电子集体振荡耦合形成的一种新型元激发，其响应与金属和环境介质的光学性质密切相关。当金属微纳结构被施以外场（光场、电场、机械外力等）作用时，材料或结构的性质发生变化从而导致动态可调（可重构）的等离激元。可重构(reconfigurable)等离激元是近年来微纳光子学的重要研究课题。在诸多动态等离激元的调控技术中，电化学调控技术通过氧化还原反应改变微纳结构而调控等离激元，具有简便易操作且长循环的优点。长期以来，银和金等贵金属材料由于其显著的光学响应和稳定的化学性质而备受青睐，但需要通过持续的外部能源供给来维持动态等离激元。

        相对于贵金属而言，碱金属更接近理想自由电子气模型，因此被认为有可能具有低的光频损耗，然而，由于碱金属活泼的化学性质和严苛的制备条件，基于碱金属的等离激元器件的实验探索鲜有报道。今年5月，团队与合作者在金属钠的体系成功报道了碱金属光频低损耗的实验证据，并首次实现了低损耗的通讯波段碱金属光子器件(Nature 581, 401-405 (2020))。值得一提的是，除了具有优异的等离激元效应，碱金属也是能源领域高能量密度储能技术的重要材料体系。以金属锂为例，锂金属作为锂金属电池的负极材料，具有3860 mAhg-1的最高质量比容量和最低的电化学电位。碱金属独特的双重身份使得碱金属等离激元的研究具有更大的自由度和更广泛的研究兴趣。2018年，团队首次报道了基于等离激元光谱放大效应的金属锂枝晶的原位探测 (PNAS 115, 11168-11173 (2018))，为金属电池体系安全问题监控提供了新的技术途径。另一方面，这为可重构(reconfigurable)的等离激元光学性质研究和器件应用提供了平台。最近，南京大学周林/朱嘉研究团队，结合了锂金属作为高效的光学信息载体和高性能能源存储载体的两方面特性，实现了第一个基于平面锂金属电池的碱金属等离激元动态光谱调控，实现磁等离激元共振和表面等离激元共振之间的动态转换。
        研究人员选择银基金属-介质-金属（Ag-SO2-Ag）三明治栅状结构作为产生磁等离激元共振的微纳结构单元。以此结构作为一侧电极，以含锂正极材料为另一侧电极，组装平面结构锂金属电池。在含锂离子的有机电解液中，施加合适电流后，锂可选择性地在金属-绝缘体-金属三明治栅状结构的侧壁垂直沉积生长，当金属锂连接上层金属和下层金属衬底后，使得不连续的金属-介质-金属结构变为连续的单界面金属光栅结构，局部磁场激发（磁等离激元共振MPR，1.85um反射谷）切换为非局域电场激发（表面等离激元共振SPP，1um反射谷）。
         更为重要的是，上述转变是电学可控的。当施加反向电流后，已沉积的锂金属会从电极表面脱离，从而将单界面金属光栅恢复为金属-介质-金属栅状结构，光学模式也从表面等离激元共振回归到磁等离激元共振模式。研究团队通过理论计算，外原位光学测试和原位光学测试以及形貌表征，证实了上述方案的可行性与准确性。由于该动态调控的方案是基于锂金属电池得以实现的，这为发展可自供能的动态调控等离激元提供了新途径；同时这种与锂金属形貌相关的实时光谱技术有望为原位无损探测电化学反应提供研究平台。

图 基于金属锂平面电池的碱金属等离激元电学动态转换。

       2014级博士金艳(已毕业，现为美国西太平洋国家实验室博士后)、2018级硕士生梁洁为论文的共同第一作者，南京大学周林副教授和朱嘉教授为论文通讯作者。本工作得到物理学院刘辉教授、现代工学院王前进高级工程师、阜阳师范大学武山教授的大力支持和帮助；还得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费等项目支持；固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、教育部智能光传感与调控技术重点实验室、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室给予了重要支持。


        文章来源：南京大学
       朱嘉,南京大学教授、博士生导师、“青年973”首席科学家。博士毕业于美国斯坦福大学电子工程系硕士和博士，随后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室从事新能源和环境领域的研究。在 Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nano Letters, Materials Science and Engineering Report等国际权威学术期刊上发表20余篇论文，他人引用次数超过1000次。研究成果多次被 Science Daily, Nature Nanotechnology, MIT Tech Review等学术期刊、科学杂志和新闻机构作为 “Research Highlights”, “Cover Article”, “News Focus” 等专题报道，产生了广泛的国际影响。受邀在国际会议、世界著名学府和美国能源部做过30多场专题报告，同时是20多个国际学术期刊的特约审稿人。获得多项重要国际和国家级学术奖项包括，美国化学学会无机化学青年科学家奖，美国材料学会研究生金奖，中国政府优秀自费留学生奖等。
        周林，女，博士，南京大学现代工程与应用科学学院副研究员、副教授。研究方向：等离激元光子学、人工微结构太阳能光-热-电转换机理、调控与应用。