近日，我院丁思静教授、武汉工程大学光能媚黑母狗 马良副教授以及南方科技大学王取泉教授合作，成功证实等离激元与拓扑表面态之间的强相互作用能够有效增强Bi₂Se₃/Cu₂₋ₓS纳米线的光热性能。该工作发表在Science子刊《Science Advances》上。这是我院首篇在Science子刊发表的文章。

在纳米尺度下，当光激发金属纳米结构中的等离激元共振时，局域电磁场会显著增强，从而促进非线性光学响应，提升能量转化效率；同时，光与金属纳米结构相互作用还会展现出独特的量子特性。此前，丁思静教授团队设计了非中心对称金属结构激发磁等离激元，实现对二次谐波信号的显著增强，相关成果发表在Nano Letters, 2019, 19, 2005。此外，通过对金纳米颗粒进行电子注入或提取，可以实现量子尺寸区域等离激元的有效调控，相关成果发表在Physical Review Letters, 2021, 126, 173902。这些研究结果表明，通过调控光与物质的相互作用，可以实现对局域场与能量转移过程的精准控制。如何将这些基础现象应用于实际能源转换，仍面临材料光响应范围受限与多功能集成困难的挑战。

基于该前提，丁思静教授及合作团队设计了一种Bi₂Se₃/Cu_2-xS复合纳米结构，在实现拓扑表面态与等离激元协同作用的基础上，构建出兼具高效光热转换与热电发电能力的“能量集成平台”，为发展高效清洁能源器件提供了新思路。该研究通过在Bi₂Se₃纳米线上生长Cu₂₋ₓS纳米片，结合等离激元共振与拓扑表面态诱导的光学效应，实现了宽谱、高效的光吸收。实验结果表明，异质结中的强共振耦合、拓扑表面态驱动的热电子注入以及等离激元诱导的热空穴弛豫，共同赋予Bi₂Se₃/Cu₂₋ₓS纳米线卓越的光热性能。此外，研究团队进一步将该光热材料负载至集成热电模块的水凝胶中，并在模拟太阳光照射下开展实验。结果显示，Bi₂Se₃/Cu₂₋ₓS蒸发器的水蒸发速率高达3.67 kg m⁻² h⁻¹，太阳能-水蒸气转换效率达到95.2%，最大输出功率可达1.078 W/m²。值得一提的是，研究团队创新性地引入了锥形反射镜设计，在无需额外能量输入的情况下，大幅提升了蒸发速率和最大输出功率。该研究不仅为基于拓扑绝缘体的先进光热材料设计提供了新思路，也为可持续水电联产蒸发装置的开发带来了重要启发。

图1. （A）合成过程示意图。（B）Bi₂Se₃/Cu_2-xS纳米复合结构的透射电子显微镜图像。（C）Bi₂Se₃/Cu₂₋ₓS杂化物中的载流子弛豫机制。（D）Bi₂Se₃/Cu₂₋ₓS杂化物的热图像。（E）自然光照射下的室外集水装置。（F）室外集水过程中水产量与太阳辐照强度随时间的变化关系。

《Science Advances》是美国科学促进会于2015年创办的多学科综合性开源学术期刊，是Science旗下的重要子刊之一，致力于发表涵盖自然科学、工程技术、医学以及社会科学等多个领域的高水平原创研究论文。近年来影响因子稳步增长，期刊年发表文章约2000篇，为综合学科领域的中科院SCI一区TOP期刊。

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//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt2884