[发明专利]一种电化学系统及改变等离激元传感器响应模式的方法

说明书

本发明涉及一种电化学系统及改变等离激元传感器响应模式的方法。该电化学系统包括第一电极、第二电极和电解液，第一电极和第二电极分别与电解液接触；其中，第一电极包括：金属衬底；和设置在金属衬底上的多个纳米基元；其中，各个纳米基元包括电介质下层和金属上层，电介质下层位于金属上层和金属衬底之间；其中，第二电极包括导电体；其中，电解液含有锂离子。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种电化学系统及改变等离激元传感器响应模式的方法。

背景技术

由于可动态切换等离激元响应的能力，动态等离激元微纳结构引起了人们在物理、化学和材料科学等领域极大的研究兴趣。

动态等离激元通过结构变换或材料相变实现对光学响应的动态调控，因此在纳米光子学和超材料领域激发了巨大的研究热潮。由于内在的自建立的电场功能、灵活的调制性以及兼容性，对金属结构的电调控手段在各种动态控制手段中最为重要，并被广泛用于调控拓扑连续的金属结构中的电子共振，这是一种除了热效应和化学效应之外的新的电控路径。但是，磁性超材料由于不连续的结构(例如，开口谐振环、耦合的纳米颗粒、多个堆叠的棒)使得电调控具有极大的挑战性，但是科研工作者们又非常渴望能实现原位调控局部结构来调控磁等离激元共振(MPR)和明显的磁场增强。在各种电调控的等离激元器件中，到目前为止，贵金属材料(包括银和金)使用最广泛，兼备显著的光学响应和稳定的化学性质的优点，但都需要通过持续的外部能源供给来维持动态等离激元。

发明内容

发明人认识到，锂金属，作为锂基电池最轻的负极材料，具有较高质量比容量和较低的电化学电位，即拥有较高的能量密度。此外，锂金属还具有低光学损耗的特性。故而若结合锂金属的等离激元特性和储能特性，可以大大促进实现自供能的动态等离激元器件。

本公开的新型电化学系统包括一个等离激元传感器，该等离激元传感器具有特定的金属-绝缘体(电介质)-金属(MIM)型栅状结构。在含锂离子的电解液中，使用该电化学系统进行锂金属的电沉积，MIM型栅状结构将会诱导金属锂在栅条的侧壁垂直沉积形成侧壁，从而使MIM型栅状结构转变为半无限金属型栅状结构，实现传感器光学模式的转变。特别创新的是，上述转变是可逆的，也就是说，当施加反向电流时，已沉积的锂金属会从电极表面脱离，从而恢复MIM型栅状结构。通过上述创新方案，本公开方案在一个器件上实现了两种不同等离激元传感器响应模式的可逆变换。

在一些方面，本公开提供一种电化学系统，包括第一电极、第二电极和电解液，第一电极和第二电极分别与电解液接触；

其中，第一电极包括：

金属衬底；和

设置在金属衬底上的多个纳米基元；

其中，各个纳米基元包括电介质下层和金属上层，电介质下层位于金属上层和金属衬底之间；

其中，第二电极包括导电体；

其中，电解液含有锂离子。

在一些实施方案中，纳米基元还包括锂金属侧壁，锂金属侧壁贴靠电介质下层和金属上层的至少部分侧表面，将金属上层与金属衬底电连接。

在一些实施方案中，沿垂直于电介质下层侧表面的方向，锂金属侧壁的厚度为10～300nm，例如10～50nm，例如50～100nm。

在一些实施方案中，锂金属侧壁的厚度小于相邻的纳米基元的间距。

基于上述实施方案，通过对上述电化学系统进行充电/放电，或者使上述电化学系统自发地放电，使锂金属在第一电极的表面沉积(或从第一电极表面脱离)，从而能够实现第一电极在电磁波作用下光学模式的改变。

在一些实施方案中，第一电极被配置为一个表面等离激元极化(SPP)传感器。

在一些实施方案中，第一电极被配置为一个磁等离激元共振(MPR)传感器。