Plasmonic high-entropy carbides

等离子体子 碳化物 材料科学 化学稳定性 热稳定性 电介质 熵(时间箭头) 纳米技术 光电子学 化学物理 化学 热力学 物理 冶金 有机化学
作者
Arrigo Calzolari,Corey Oses,Cormac Toher,Marco Esters,Xiomara Campilongo,Sergei P. Stepanoff,Douglas E. Wolfe,Stefano Curtarolo
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:27
标识
DOI:10.1038/s41467-022-33497-1
摘要

Discovering multifunctional materials with tunable plasmonic properties, capable of surviving harsh environments is critical for advanced optical and telecommunication applications. We chose high-entropy transition-metal carbides because of their exceptional thermal, chemical stability, and mechanical properties. By integrating computational thermodynamic disorder modeling and time-dependent density functional theory characterization, we discovered a crossover energy in the infrared and visible range, corresponding to a metal-to-dielectric transition, exploitable for plasmonics. It was also found that the optical response of high-entropy carbides can be largely tuned from the near-IR to visible when changing the transition metal components and their concentration. By monitoring the electronic structures, we suggest rules for optimizing optical properties and designing tailored high-entropy ceramics. Experiments performed on the archetype carbide HfTa4C5 yielded plasmonic properties from room temperature to 1500K. Here we propose plasmonic transition-metal high-entropy carbides as a class of multifunctional materials. Their combination of plasmonic activity, high-hardness, and extraordinary thermal stability will result in yet unexplored applications.
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