大阪大學(xué)于4月7日宣布，在新型半導(dǎo)體納米材料領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，成功發(fā)現(xiàn)具有“局域表面等離子體共振”特性的硫化銅鎵納米粒子。該成果由大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所佐野奎斗助教、坂本雅典教授與京都大學(xué)艾瑟姆斯Daniel Packwood準(zhǔn)教授等共同研究團(tuán)隊(duì)完成，相關(guān)已于歐洲15國(guó)化學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)發(fā)行的學(xué)術(shù)期刊《Chemistry-A European Journal》。

局域表面等離子體共振是指納米粒子內(nèi)的自由載流子（電子或空穴）在外部電場(chǎng)作用下發(fā)生集體振動(dòng)的現(xiàn)象。傳統(tǒng)研究多集中于金、銀等金屬納米粒子，但近年來(lái)研究范圍已擴(kuò)展至半導(dǎo)體納米粒子。特別是在紅外光區(qū)域表現(xiàn)出該特性的材料，在熱輻射屏蔽材料及太陽(yáng)能電池等光能轉(zhuǎn)換設(shè)備中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。半導(dǎo)體納米粒子相比金屬材料，在組分和晶體結(jié)構(gòu)上具有更高的自由度，但如何控制其合成條件以匹配特定光學(xué)特性，一直是行業(yè)難題。

研究團(tuán)隊(duì)聚焦于具有優(yōu)異組分與結(jié)構(gòu)靈活性的I-III-VI族半導(dǎo)體，重點(diǎn)考察了此前尚未確認(rèn)是否具備局域表面等離子體共振特性的硫化銅鎵（CuGaS2）。團(tuán)隊(duì)采用高溫溶劑注入法，將前驅(qū)體試劑加入加熱至190至250攝氏度的不飽和碳?xì)浠衔铮ㄊ讼┲?，通過(guò)添加溶解了硫的試劑，成功合成了硫化銅鎵納米粒子。電子顯微鏡觀察顯示，隨著反應(yīng)溫度升高，粒子粒徑顯著增大，證實(shí)了粒徑的可控性；吸收光譜分析則在近紅外區(qū)域觀測(cè)到了源自局域表面等離子體共振的特征峰值，首次實(shí)證了該材料的光學(xué)特性。

更為關(guān)鍵的是，研究團(tuán)隊(duì)深入探討了硫化銅鎵納米粒子的兩種晶體結(jié)構(gòu)——閃鋅礦型（Copper Chalcocite結(jié)構(gòu)）與纖鋅礦型（Wurtzite結(jié)構(gòu)）對(duì)光學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制合成過(guò)程中是否添加作為配體及硫源的1-十二烷基硫醇，可自由切換這兩種晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)比吸收光譜數(shù)據(jù)，閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的局域表面等離子體共振峰值強(qiáng)度約為纖鋅礦型的3倍。這一發(fā)現(xiàn)明確揭示了晶體結(jié)構(gòu)的微小差異是決定光學(xué)響應(yīng)強(qiáng)度的決定性因素。

日本在納米材料基礎(chǔ)研究與精密合成工藝方面長(zhǎng)期處于地位，其高校與產(chǎn)業(yè)界緊密協(xié)作的模式，使得從理論發(fā)現(xiàn)到材料驗(yàn)證的轉(zhuǎn)化周期顯著縮短。此次大阪大學(xué)的研究不僅展示了硫化銅鎵作為新型紅外響應(yīng)材料的潛力，更通過(guò)揭示晶體結(jié)構(gòu)與光學(xué)功能的關(guān)聯(lián)，為設(shè)計(jì)高性能等離子體材料提供了關(guān)鍵理論依據(jù)。這一成果有望推動(dòng)下一代高效太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器件及熱輻射屏蔽技術(shù)的開發(fā)，為紅外光能利用領(lǐng)域帶來(lái)新的技術(shù)突破。

對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體及新能源材料行業(yè)而言，這一發(fā)現(xiàn)提示在材料研發(fā)中需高度重視晶體結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的調(diào)控作用。通過(guò)精準(zhǔn)控制合成工藝參數(shù)來(lái)定制納米粒子的晶型，可能是提升光能轉(zhuǎn)換效率與紅外響應(yīng)性能的關(guān)鍵路徑，值得在后續(xù)研發(fā)中重點(diǎn)關(guān)注與布局。