Plasmonic nanostructures have been exploited in photochemical and photocatalytic processes owing to their surface plasmon resonance characteristics. This unique property generates photoinduced potentials and currents capable of driving chemical reactions. However, these processes are hampered by low photon conversion and utilization efficiencies, which are issues that need to be addressed. In this study, we integrate plasmonic photochemistry and simple tunable heterostructure characteristics of a dielectric photonic crystal for the effective control of electromagnetic energy below the diffraction limit of light. The nanostructure comprises high-density Ag nanoparticles on nanocavity arrays of SrTiO3 and TiO2, where two oxides constitute a chemical heterojunction. Such a nanostructure is designed to form intense electric fields and a vectorial electron flow channel of Ag → SrTiO3 → TiO2. When the plasmonic absorption of Ag nanoparticles matched the photonic stopband, we observed an apparent quantum yield of 3.1 × 10−4 e per absorbed photon. The contributions of light confinement and charge separation to the enhanced photocurrent were evaluated.

1.
K.
Wu
,
W. E.
Rodríguez-Córdoba
,
Y.
Yang
, and
T.
Lian
,
Nano Lett.
13
,
5255
(
2013
).
2.
K.
Wu
,
J.
Chen
,
J. R.
McBride
, and
T.
Lian
,
Science
349
,
632
(
2015
).
3.
J. H.
Hodak
,
I.
Martini
, and
G. v.
Hartland
,
J. Phys. Chem. B
102
,
6958
(
1998
).
4.
M. T.
Sheldon
,
J.
van de Groep
,
A. M.
Brown
,
A.
Polman
, and
H. A.
Atwater
,
Science
346
,
828
(
2014
).
5.
Y.
Yu
,
K. D.
Wijesekara
,
X.
Xi
, and
K. A.
Willets
,
ACS Nano
13
,
3629
(
2019
).
6.
A. J.
Wilson
,
V.
Mohan
, and
P. K.
Jain
,
J. Phys. Chem. C
123
,
29360
(
2019
).
7.
Y.
Kim
,
D.
Dumett Torres
, and
P. K.
Jain
,
Nano Lett.
16
,
3399
(
2016
).
8.
S.
Yu
,
A. J.
Wilson
,
J.
Heo
, and
P. K.
Jain
,
Nano Lett.
18
,
2189
(
2018
).
9.
Y.
Kim
,
J. G.
Smith
, and
P. K.
Jain
,
Nat. Chem.
10
,
763
(
2018
).
10.
S.
Yu
and
P. K.
Jain
,
Angew. Chem., Int. Ed.
59
,
2085
(
2020
).
11.
P.
Christopher
,
H.
Xin
,
A.
Marimuthu
, and
S.
Linic
,
Nat. Mater.
11
,
1044
(
2012
).
12.
S.
Mukherjee
,
F.
Libisch
,
N.
Large
,
O.
Neumann
,
L. v.
Brown
,
J.
Cheng
,
J. B.
Lassiter
,
E. A.
Carter
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Nano Lett.
13
,
240
(
2013
).
13.
X.
Zhang
,
X.
Li
,
D.
Zhang
,
N. Q.
Su
,
W.
Yang
,
H. O.
Everitt
, and
J.
Liu
,
Nat. Commun.
8
,
14542
(
2017
).
14.
Y.-F.
Huang
,
H.-P.
Zhu
,
G.-K.
Liu
,
D.-Y.
Wu
,
B.
Ren
, and
Z.-Q.
Tian
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
9244
(
2010
).
15.
D.
Devasia
,
A. J.
Wilson
,
J.
Heo
,
V.
Mohan
, and
P. K.
Jain
,
Nat. Commun.
12
,
2612
(
2021
).
16.
E.
Kazuma
,
J.
Jung
,
H.
Ueba
,
M.
Trenary
, and
Y.
Kim
,
Science
360
,
521
(
2018
).
17.
S.
Yu
,
V.
Mohan
, and
P. K.
Jain
,
MRS Bull.
45
,
43
(
2020
).
18.
S.
Yu
and
P. K.
Jain
,
Angew. Chem., Int. Ed.
59
,
22480
(
2020
).
19.
J.
Zhao
,
S. C.
Nguyen
,
R.
Ye
,
B.
Ye
,
H.
Weller
,
G. A.
Somorjai
,
A. P.
Alivisatos
, and
F. D.
Toste
,
ACS Cent. Sci.
3
,
482
(
2017
).
20.
M.
Dhiman
,
A.
Maity
,
A.
Das
,
R.
Belgamwar
,
B.
Chalke
,
Y.
Lee
,
K.
Sim
,
J.-M.
Nam
, and
V.
Polshettiwar
,
Chem. Sci.
10
,
6594
(
2019
).
21.
S.
Yu
,
Y. H.
Kim
,
S. Y.
Lee
,
H. D.
Song
, and
J.
Yi
,
Angew. Chem., Int. Ed.
53
,
11203
(
2014
).
22.
R.
Li
,
F.
Zhang
,
D.
Wang
,
J.
Yang
,
M.
Li
,
J.
Zhu
,
X.
Zhou
,
H.
Han
, and
C.
Li
,
Nat. Commun.
4
,
1432
(
2013
).
23.
P.
Reineck
,
G. P.
Lee
,
D.
Brick
,
M.
Karg
,
P.
Mulvaney
, and
U.
Bach
,
Adv. Mater.
24
,
4750
(
2012
).
24.
R. A.
Pala
,
J.
White
,
E.
Barnard
,
J.
Liu
, and
M. L.
Brongersma
,
Adv. Mater.
21
,
3504
(
2009
).
25.
M. J.
Mendes
,
A.
Luque
,
I.
Tobías
, and
A.
Martí
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
071105
(
2009
).
26.
B.
Zheng
,
H.
Zhao
,
B.
Cerjan
,
S.
Yazdi
,
E.
Ringe
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
101105
(
2018
).
27.
A.
Sobhani
,
M. W.
Knight
,
Y.
Wang
,
B.
Zheng
,
N. S.
King
,
L. v.
Brown
,
Z.
Fang
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Nat. Commun.
4
,
1643
(
2013
).
28.
M. W.
Knight
,
H.
Sobhani
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Science
332
,
702
(
2011
).
29.
Y.
Liu
,
R.
Cheng
,
L.
Liao
,
H.
Zhou
,
J.
Bai
,
G.
Liu
,
L.
Liu
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nat. Commun.
2
,
579
(
2011
).
30.
S.
Zhang
,
K.
Bao
,
N. J.
Halas
,
H.
Xu
, and
P.
Nordlander
,
Nano Lett.
11
,
1657
(
2011
).
31.
D.
Sil
,
K. D.
Gilroy
,
A.
Niaux
,
A.
Boulesbaa
,
S.
Neretina
, and
E.
Borguet
,
ACS Nano
8
,
7755
(
2014
).
32.
K.-S.
Lee
and
M. A.
El-Sayed
,
J. Phys. Chem. B
110
,
19220
(
2006
).
33.
P. K.
Jain
and
M. A.
El-Sayed
,
Nano Lett.
8
,
4347
(
2008
).
34.
N. S.
King
,
L.
Liu
,
X.
Yang
,
B.
Cerjan
,
H. O.
Everitt
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
ACS Nano
9
,
10628
(
2015
).
35.
S.
Nishimura
,
N.
Abrams
,
B. A.
Lewis
,
L. I.
Halaoui
,
T. E.
Mallouk
,
K. D.
Benkstein
,
J.
van de Lagemaat
, and
A. J.
Frank
,
J. Am. Chem. Soc.
125
,
6306
(
2003
).
36.
J. D.
Joannopoulos
,
P. R.
Villeneuve
, and
S.
Fan
,
Solid State Commun.
102
,
165
(
1997
).
37.
J. I. L.
Chen
,
G.
von Freymann
,
S. Y.
Choi
,
V.
Kitaev
, and
G. A.
Ozin
,
Adv. Mater.
18
,
1915
(
2006
).
38.
Y.
Mi
,
L.
Wen
,
R.
Xu
,
Z.
Wang
,
D.
Cao
,
Y.
Fang
,
Y.
Lei
,
Y.
Mi
,
L.
Wen
,
R.
Xu
,
Z.
Wang
,
D.
Cao
,
Y.
Fang
, and
Y.
Lei
,
Adv. Energy Mater.
6
,
1501496
(
2016
).
39.
X.
Zhang
,
Y.
Liu
,
S.-T.
Lee
,
S.
Yang
, and
Z.
Kang
,
Energy Environ. Sci.
7
,
1409
(
2014
).
40.
J. B.
Chou
,
X.-H.
Li
,
Y.
Wang
,
D. P.
Fenning
,
A.
Elfaer
,
J.
Viegas
,
M.
Jouiad
,
Y.
Shao-Horn
, and
S.-G.
Kim
,
Opt. Express
24
,
A1234
(
2016
).
41.
S.
Zeng
,
E.
Vahidzadeh
,
C. G.
VanEssen
,
P.
Kar
,
R.
Kisslinger
,
A.
Goswami
,
Y.
Zhang
,
N.
Mahdi
,
S.
Riddell
,
A. E.
Kobryn
,
S.
Gusarov
,
P.
Kumar
, and
K.
Shankar
,
Appl. Catal., B
267
,
118644
(
2020
).
42.
Q.
Huang
,
T. D.
Canady
,
R.
Gupta
,
N.
Li
,
S.
Singamaneni
, and
B. T.
Cunningham
,
ACS Photonics
7
,
1994
(
2020
).
43.
S.
Sarkar
,
V.
Gupta
,
T.
Tsuda
,
J.
Gour
,
A.
Singh
,
O.
Aftenieva
,
A. M.
Steiner
,
M.
Hoffmann
,
S.
Kumar
,
A.
Fery
,
J.
Joseph
, and
T. A. F.
König
,
Adv. Funct. Mater.
31
,
2011099
(
2021
).
44.
L.
Zhang
,
C. Y.
Lin
,
V. K.
Valev
,
E.
Reisner
,
U.
Steiner
, and
J. J.
Baumberg
,
Small
10
,
3970
(
2014
).
45.
D.
Gong
,
C. A.
Grimes
,
O. K.
Varghese
,
W.
Hu
,
R. S.
Singh
,
Z.
Chen
, and
E. C.
Dickey
,
J. Mater. Res.
16
,
3331
(
2001
).
46.
C.
Ruan
,
M.
Paulose
,
O. K.
Varghese
,
G. K.
Mor
, and
C. A.
Grimes
,
J. Phys. Chem. B
109
,
15754
(
2005
).
47.
J. M.
Macák
,
H.
Tsuchiya
, and
P.
Schmuki
,
Angew. Chem., Int. Ed.
44
,
2100
(
2005
).
48.
H. N.
Umh
,
S.
Yu
,
Y. H.
Kim
,
S. Y.
Lee
, and
J.
Yi
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
15802
(
2016
).
49.
J.
Zhang
,
J. H.
Bang
,
C.
Tang
, and
P. V.
Kamat
,
ACS Nano
4
,
387
(
2010
).
50.
Z.-Z.
Gu
,
S.
Kubo
,
W.
Qian
,
Y.
Einaga
,
D. A.
Tryk
,
A.
Fujishima
, and
O.
Sato
,
Langmuir
17
,
6751
(
2001
).
51.
T.
Yamasaki
and
T.
Tsutsui
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
1957
(
1998
).
52.
J.
Ge
,
Y.
Yin
,
Y.
Yin
, and
J.
Ge
,
Angew. Chem., Int. Ed.
50
,
1492
(
2011
).
53.
E. J.
Guidelli
,
L. F.
Araujo
,
A. C. A.
Assunção
,
I. C. S.
Carvalho
,
D. R.
Clarke
, and
O.
Baffa
,
Plasmonics
15
,
1551
(
2020
).
54.
E.
Prodan
,
C.
Radloff
,
N. J.
Halas
, and
P.
Nordlander
,
Science
302
,
419
(
2003
).
55.
M.
Hentschel
,
M.
Saliba
,
R.
Vogelgesang
,
H.
Giessen
,
A. P.
Alivisatos
, and
N.
Liu
,
Nano Lett.
10
,
2721
(
2010
).
56.
E. S.
Thrall
,
A.
Preska Steinberg
,
X.
Wu
, and
L. E.
Brus
,
J. Phys. Chem. C
117
,
26238
(
2013
).
57.
B. Y.
Zheng
,
H.
Zhao
,
A.
Manjavacas
,
M.
McClain
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Nat. Commun.
6
,
7797
(
2015
).
58.
J.
Li
,
S. K.
Cushing
,
P.
Zheng
,
F.
Meng
,
D.
Chu
, and
N.
Wu
,
Nat. Commun.
4
,
2651
(
2013
).
59.
B.
Seemala
,
A. J.
Therrien
,
M.
Lou
,
K.
Li
,
J. P.
Finzel
,
J.
Qi
,
P.
Nordlander
, and
P.
Christopher
,
ACS Energy Lett.
4
,
1803
(
2019
).
60.
E.
Cortés
,
W.
Xie
,
J.
Cambiasso
,
A. S.
Jermyn
,
R.
Sundararaman
,
P.
Narang
,
S.
Schlücker
, and
S. A.
Maier
,
Nat. Commun.
8
,
14880
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.