金属-硅基纳米绒面结构中位置灵敏光电效应研究

发布时间：2020-05-11 20:46

【摘要】：纳米材料因其具有独特而优质的光学和电学性能,在光电探测、光伏产业、生物医疗器械等领域中表现出重要而广泛的应用价值和前景。其中,硅是工业生产中备受青睐、应用最广的具有众多优越光电性能的半导体材料。理论和实验结果表明,硅纳米绒面具有较大的比表面积,能够有效地促进宽频谱范围内对入射光的高吸收和理想减反效果。优越的光学吸收性能为高效地激发光生载流子提供了重要的基础,对光能到电能、光信号到电信号的转化有较强的促进作用。目前,硅纳米绒面材料主要普遍用于太阳能电池领域,对其在光电探测器件方面的性能研究也具有重要意义。因此,本文在这一基础上,结合金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振性质,对金属-硅基纳米绒面结构中光生载流子的产生、分离和迁移机制展开研究,重点挖掘硅基纳米绒面材料基于侧向光伏效应在位置灵敏探测器领域的应用前景。具体研究内容如下:1、在铜纳米颗粒覆盖的硅纳米金字塔绒面上,分别在3 mm和1 mm线性范围内获得了灵敏度高达74.0 mV/mm和157.9 mV/mm的位置灵敏侧向光伏效应。利用银纳米颗粒的掩膜作用,通过碱溶液对硅基底各向异性腐蚀,制备了尺寸随机、位置分布非周期性的硅纳米金字塔绒面。这种全溶液的制备方法相比光刻法成本更低,工艺更简单,为产业化生产奠定了基础。纳米金字塔独特的表面形貌和随机分布结构有效地提高了表面积,为铜纳米颗粒提供了较大的附着面。铜纳米颗粒与硅纳米金字塔绒面的结合极大地增进了减反和陷光效果,在405 nm到780 nm宽频谱范围内均有显著的光电响应。2、提出了基于局域表面等离激元的高性能侧向光伏效应机制。基于理论分析和实验探索发现,通过纳米线绒面对硅表面形貌进行修饰以及利用贵金属银纳米颗粒激发局域表面等离激元是两种促进光吸收和光生载流子产生的有效方法。采用金属辅助化学刻蚀的方法在晶体硅表面制备了纳米线阵列结构,用磁控溅射法在其表面沉积银纳米颗粒,这种制备方法简单,成本低廉,可重复性高,而且样品具有较好的均匀性,从可见光到近红外波段均具有良好的减反效果,并且能够激发强烈的局域表面等离激元。此种银/硅纳米线结构,在光谱学上,作为活性基底应用于检测低浓度(10~(-8) _M)罗丹明6G获得了十分明显的表面增强拉曼信号;在光电性能上,较之传统的银薄膜/硅材料,实验上获得了灵敏度增强多达53倍的侧向光伏效应(65.35 mV/mm)。在405 nm到980 nm宽波段范围内均实现了线性度高、灵敏度强的光电响应,对可见光到近红外范围位置灵敏探测技术有非常重要的意义。3、本论文还介绍了在均匀光照下的纳米金属/半导体结构中发现的表面非等势效应。众所周知,即便是在外加的电场作用下,金属材料在通常情况下总是等势体。然而,在均匀光照条件下,在纳米钛/硅材料的金属表面上却获得了最高达53 mV的表面电势差。在低维结构的纳米金属中,电子传输受到一定限制,因而产生不同于块体材料的电子扩散模型,从而在样品表面形成了中间高周围低的非等势面。基于实验结果和理论分析,论文进一步研究了表面光电压与样品宏观尺寸以及钛纳米层厚度的关联性,得出了最佳金属层厚度与样品尺寸的线性对应关系,并且对光照功率的影响进行了讨论。在此项工作中,建立了低维结构中的电子扩散模型,从物理机制上剖析了在金属表面产生光电压的原因。表面光电压的发现扩展了纳米金属半导体材料的应用价值。
【图文】：

金属银,光锥,色散曲线,共振频率

图 1-1 (a) 金属银和空气界面上的 SPP 色散曲线，虚线为光锥线，点线为 SPP 共振频率。（b）金属电介质界面 SPP 的极化电荷和电场示意图[26]。Figure1-1 (a) Dispersion relations of SPP. (b) Schematic of the SPP along the metal-dielectric interface,including the distribution of polarization charges and electric field.局域表面等离激元目前主要是在贵金属纳米颗粒中发现较多，比如金、银和铂等米尺度的粒子。当光波入射到尺寸大小与之可比拟的金属纳米颗粒上时，在入射光电频率与金属电子振动频率匹配的情况下，金属对光会产生非常强的吸收作用，同时在面形成局域在其附近的表面等离激元，如图 1-2 所示。金属纳米结构的 LSP 特性与其分、形状、尺寸、周围介质等参数有关[29]。由于相比块体材料而言金属纳米颗粒具有当大的比表面积，，因此其对光的吸收、散射等性质会由于受到 LSP 的影响而有所不同

示意图,表面等离激元共振,局域,金属

空气界面上的 SPP 色散曲线，虚线为光锥线，点线为属电介质界面 SPP 的极化电荷和电场示意图[26]。ion relations of SPP. (b) Schematic of the SPP along the mluding the distribution of polarization charges and electric 元目前主要是在贵金属纳米颗粒中发现较多，波入射到尺寸大小与之可比拟的金属纳米颗粒动频率匹配的情况下，金属对光会产生非常强的近的表面等离激元，如图 1-2 所示。金属纳米结构围介质等参数有关[29]。由于相比块体材料而言因此其对光的吸收、散射等性质会由于受到 LSP
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】