Photoinduced Reversible Switching between Mie Scatterer and Absorber Enabled by Plasmonics

Abstract

Photochromism is a reversible transformation between two states that exhibit different optical properties triggered by light absorption. Photochromic materials have been studied extensively for decades. The interest stemmed from their main advantage, which is, unlike electrochromic materials, they do not require an external power supply. A good photochromic material should have a high contrast between the colors of the two states, fast and reversible conversion, and photochemical stability. However, studies on photochromic materials have been limited to simply creating peak shift or changes in the absorption spectra. And multicolor photochromism requires the utilization of two or more systems, chemical structures, or various wavelength lasers. Therefore, this study suggests a novel structure which can convert between scatterer and absorber in one system by exploiting the photo-redox mechanism, unlike previous studies which could simply manipulate absorption spectra like peak shift or intensity change. The absorber state of this structure is plasmonic nanoparticles (NPs), especially Ag in this study, are embedded in the Mie scatterer matrix, especially titania here. In this state, the structure absorbs light. However, when the structure is oxidized by visible light, the embedded Ag NPs are ionized, and the structure becomes a Mie scatterer. In this state, the Mie resonant scattering depends on the size distribution of the particles. Using this property, multicolor photochromism was also achieved with a single system. In the absorber state, the structure is a powerful absorber, as confirmed by the absorption coefficient analysis and the poynting vector energy flow analysis. These analyses demonstrate a high photochromic contrast between the two states of the structure. The structure proposed in this study was synthesized by solvothermal synthesis method that is simple and advantageous in terms of cost and time compared to other relatively expensive and time-consuming methods conventionally used to synthesize other photochromic materials. The structure also has an advantage in terms of the material stability because the Ag NPs are embedded inside a titania matrix, which are resistant to oxidation. The structure presented in this research may be useful in data encryption applications where the uses of photo-dynamic properties are preferred. Other applications include solar energy storage, where a material that could convert between being a scatterer to an absorber could adapt the rate of power collection according to the amount of ambient light.;광색성은 빛의 흡수에 따라 서로 다른 광학 특성을 나타내는 두 가지 상태 사이의 가역적 변환을 의미한다. 광색성 물질은 전자색성 물질과는 달리 외부 전원 공급이 필요하지 않아 수십 년 동안 광범위하게 연구되어 왔다. 좋은 광색 소재는 두 상태 사이의 높은 광색 대비, 빠르고 가역적인 변환 및 광화학적 안정성을 가져야 한다. 하지만 그동안의 광색 소재 연구들은 단순히 흡수 스펙트럼의 피크 변화나 세기의 변화를 가져오는 데에 그쳐왔으며 다중 색상 광색성을 위해서는 둘 이상의 시스템, 분자 구조 혹은 각기 다른 단일 파장의 빛을 사용하여야 한다는 단점이 존재했다. 따라서 본 연구에서는 기존에 존재하지 않던 새로운 구조체를 제시하고 이를 통해 단순한 흡수 스펙트럼의 조절을 넘어, 산란체에서 흡수체로의 완전한 광학적 성질의 변환을 보였다. 이 물질은 흡수체 상태에서는 미에 산란체 내부에 플라즈모닉 나노 입자가 박혀있는 구조이다. 이에 가시광선 빛을 조사하면 구조체가 광-산화되어 미에 산란체로 작동하였다. 이러한 반응은 광-산화 환원 메커니즘을 이용하여 가역적으로 변형이 가능하다.이 연구에서는 플라즈모닉 나노 입자로 은을 사용하였으며 미에 산란체로 다공성 티타니아를 사용하였다. 본 연구에서는 흡수체의 흡수 계수 분석 및 포인팅 벡터를 사용한 에너지 흐름 분석을 통해 본 연구에서 제시하는 구조체가 강력한 흡수체로 작동하는 원리를 밝혔다. 이를 통해 구조체의 두 상태 사이의 높은 광색 대비를 입증하였다. 또한 미에 공명 산란을 사용하여 크기 분포에 따른 다중색상 광색성을 하나의 시스템으로 달성하였다. 본 연구에서 제시하는 구조체는 고비용의 복잡한 합성법을 사용했던 기존의 광색성 물질들과 달리, 간단하며 비용적, 시간적 측면에서 유리한 용액 합성법을 사용하였다. 또한 구조적으로 은 나노 입자가 티타니아 미에 산란체 내부에 존재하기 때문에 산화로부터 안정적이라는 이점이 있다. 따라서 이 연구는 광역학적인 성질을 이용하여 데이터 암호화에 응용될 수 있으며 산란체에서 높은 흡수 효율을 갖는 흡수체로의 변환을 이용해 태양광에너지 저장에서도 유용하게 사용될 수 있으리라 기대된다.