Near-Perfect Absorbing Copper Metamaterial for Solar Fuel Generation

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作者
Joel Y. Y. Loh,Mahdi Safari,Chengliang Mao,Camilo J. Viasus,George V. Eleftheriades,Geoffrey A. Ozin,Nazir P. Kherani
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:21 (21): 9124-9130 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.1c02886
摘要

Metamaterials are a new class of artificial materials that can achieve electromagnetic properties that do not occur naturally, and as such they can also be a new class of photocatalytic structures. We show that metal-based catalysts can achieve electromagnetic field amplification and broadband absorption by decoupling optical properties from the material composition as exemplified with a ZnO/Cu metamaterial surface comprising periodically arranged nanocubes. Through refractive index engineering close to the index of air, the metamaterial exhibits near-perfect 98% absorption. The combination of plasmonics and broadband absorption elevates the weak electric field intensities across the nonplasmonic absorption range. This feedback between optical excitation and plasmonic excitation dramatically enhances light-to-dark catalytic rates by up to a factor of 181 times, compared to a 3 times photoenhancement of ZnO/Cu nanoparticles or films, and with angular invariance. These results show that metamaterial catalysts can act as a singular light harvesting device that substantially enhances photocatalysis of important reactions.

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