微纳传感与人工智能感知山西省重点实验室在《ACS Photonics》期刊上发表题为“具有增强可见光光电催化性能的等离子体纳米孔阵列”（Plasmonic Nanohole Arrays with Enhanced Visible Light Photoelectrocatalytic Activity）的研究论文。近些年，将太阳能通过光催化技术转化为化学能来实现能源的可持续应用引起广泛关注。贵金属纳米结构在光照下具有独特的光学性质，并具有表面等离子共振效应（SPR，Surface Plasmon Resonance），这可以促进宽带隙半导体对可见光的吸收，进一步提高对太阳光的利用率。在不同的等离子体金属纳米结构中，网格阵列结构（NHA，nanohole arrays）具有特殊的光学特性、优良的导电性、表面体积比较高等优点，最重要的是具有独特的等离子体效应，可以同时支持局域表面等离子体共振（LSPR，Localized Surface Plasmon Resonance）效应和传播表面等离子体激元（SPPs，surface plasmon polaritons）效应。
图 1. Pt/TiO2/AuNHA纳米复合材料的（a）3D结构示意图，（b）能带结构图，（c）电场增强图，（d）线性扫描伏安曲线和（e）瞬态吸收测试中的漂白动力学拟合
在本研究工作中，研究人员利用利用阳极氧化铝（AAO）模板法制备了直径为50 nm、70 nm和90 nm的具有高度有序、高密度性的金纳米孔阵列（AuNHA，Au nanohole arrays）。由于金属纳米孔阵列与不同电介质层结合后具有优异的光学性能，本文采用原子层沉积法（ALD）制备了一层高度均匀一致的TiO2薄膜覆盖于AuNHA结构之上来提高TiO2薄膜的可见光吸收率。其中在低温ALD法下制备的TiO2薄膜缺陷较小，有利于AuNHA结构中等离子体诱导的热电子的输运。通过在样品表面修饰随机分布的Pt纳米粒子作为电子陷阱，可以减少光激发电子与空穴的复合率，使样品具有优异的光电转换效率。
此外，该研究中利用时域有限差分FDTD数值模拟，揭示了金纳米孔阵列的近场增强效应和等离子体效应的机制。其中TiO2/AuNHA(D90)结构表现出最明显的电场增强，这是由于TiO2与AuNHA(D90)结构的上表面界面上强烈的SPPs效应和上下纳米孔边缘附近的LSPR效应所诱导的。通过一系列有机物降解实验，进一步证明了金纳米孔阵列结构具有优异的光电催化性能。这一研究成果为光电器件、光合作用、太阳能电池等太阳能光转化应用提供了一种独特的设计方案。
课题组博士生贾华萍为本工作共同第一作者，桑胜波教授、菅傲群教授，以及香港理工大学张需明教授为本文共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、山西省青年基金，以及香港研究资助局的大力支持。
