金—硫化铅纳米结构中等离激元增强的光电特性及光探测应用
发布时间：2020-11-12 21:38
随着纳米科学不断地发展,人类已经掌握许多纳米结构的合成方法,这些纳米结构与相应的块体材料相比能展现出许多独特的光电子学特性,如贵金属(金或银)纳米结构的表面等离激元,极大地引起了人们的研究兴趣。金属表面等离激元与半导体激子之间的耦合已被广泛运用于诸如太阳能电池,光探测器,光电化学电极等光电子器件中以提高器件的光电转换效率。近年来,大量的研究成果表明,金属纳米结构产生的局域表面等离激元共振可以增强金属附近的局域电磁场,邻近的半导体可以受益于这种场增益,导致半导体光吸收增强,进而产生更多的光生载流子,此外还有散射效应,热载流子转移和共振能量转移等机理,都对光电转换有贡献。在金属与半导体的混合纳米结构中,半导体对这种场增益的充分利用是提高器件光电转换效率的关键。在本文中,分别研究了基于硫化铅量子点掺杂金纳米棒和金-硫化铅核壳纳米棒的近红外光探测器,相对于单一硫化铅的光探测器,这两种光探测器实现了在近红外波段探测性能的提升。具体包括以下内容:1.研究了基于硫化铅量子点掺杂金纳米棒的近红外光探测器。当源漏电压和栅压为-4 V,功率密度为5 mW?cm~(-2)的808 nm激光器激发时,此光探测器响应度达到8.2 A?W~(-1),探测率达到6.3?10~(10) Jones,量子效率达到1251%,分别是单一硫化铅量子点光探测器的1.7倍,1.3倍,1.6倍。2.研究了基于金-硫化铅核壳纳米棒的近红外光探测器。首先,通过光吸收谱发现随着壳层折射率的变大,纳米棒的局域表面等离激元共振峰位由可见光红移到了近红外波段。接着,通过有限时域差分法模拟了单个金-硫化铅核壳纳米棒在光照下的局域电场分布,结果表明其局域场增益可达22倍。最后,基于此纳米结构的光探测器,在源漏电压和栅压为-4 V,功率密度为5 mW?cm~(-2)的808 nm激光器激发时,响应度达到18.5 A?W~(-1),探测率达到1.22?10~(11) Jones,量子效率达到2844%,分别是硫化铅光探测器的3.8倍,2.5倍,3.7倍。此外器件响应时间为0.32 s,0.256 s。这些研究成果表明,PbS中引入贵金属纳米结构,由于其表面等离激元,能够显著增强器件的光探测性能,因此在光电子学领域具有十分光明的应用前景。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;TN15
【部分图文】：
金-硫化铅纳米结构中等离激元增强的光电特性及光探测应用探测器是科研人员一直以来追求的目标。令人欣慰的是，等离激元纳米结构的应用让实现这些目标成为了可能。金属表面等离激元可以在纳米尺度上实现对光的操控，将光子学和电子学紧密地联系在了一起[29]。近年来，金属表面等离激元已被广泛运用于光探测技术中，改善了光探测器的诸多性能，如拓宽器件光响应波段，提高响应度，探测率和光电转换效率，加快器件响应时间等[30-33]。但是人们对于其中运作机制还没有清晰彻底的认识，对于发现其他潜在的等离激元材料及其与半导体之间的耦合机制仍然需要科研人员不断地探索。
江苏大学硕士学位论文胶体量子点表现出 n 型或 p 型半导体的性质，对制备同质结的光电器件具有重要意义[36]。另一方面，量子点表面可通过选择合适的配体对进行钝化，改善其表面缺陷，长链配体钝化为短链配体，缩短激子扩散距离，有效的提高器件光电转换效率[37]。如图 1.2 所示，胶体量子点表面悬挂不同的配体，可以调谐其导带和价带的带边能级。
图 1.3 光探测器结构示意图[25]。（a）光电导（b）场效应光电晶体管（c）肖特基结光探测器（d）异质结型光探测器（e）p n 结型光探测器（f）p i n 型光探测器Figure 1.3 Device architecture of photodetectors[25]. (a) Photoconductor (b) Phototransistor (c)Schottky photodiode (d) Heterojunction photodiode (e) p–n type photodiode (f) p–i–n typephotodiode1.4.2 光探测器的性能参数（1）响应度响应度（R）是表征光探测器在入射光照下的光电转换能力[66]，是光探测器产生的光电流 与入射光功率 的比值，单位为安培每瓦（ Ъ ），公式为： = = （1.10）（2）探测率探测率（D ）是表征光探测器辐照区域上的灵敏度，单位为琼斯（Jones）[67]。假设光电晶体管中的噪声源主要来自于暗电流 ，则探测率可用公式定义为：
【参考文献】
本文编号：2881274
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;TN15
【部分图文】：
金-硫化铅纳米结构中等离激元增强的光电特性及光探测应用探测器是科研人员一直以来追求的目标。令人欣慰的是，等离激元纳米结构的应用让实现这些目标成为了可能。金属表面等离激元可以在纳米尺度上实现对光的操控，将光子学和电子学紧密地联系在了一起[29]。近年来，金属表面等离激元已被广泛运用于光探测技术中，改善了光探测器的诸多性能，如拓宽器件光响应波段，提高响应度，探测率和光电转换效率，加快器件响应时间等[30-33]。但是人们对于其中运作机制还没有清晰彻底的认识，对于发现其他潜在的等离激元材料及其与半导体之间的耦合机制仍然需要科研人员不断地探索。
江苏大学硕士学位论文胶体量子点表现出 n 型或 p 型半导体的性质，对制备同质结的光电器件具有重要意义[36]。另一方面，量子点表面可通过选择合适的配体对进行钝化，改善其表面缺陷，长链配体钝化为短链配体，缩短激子扩散距离，有效的提高器件光电转换效率[37]。如图 1.2 所示，胶体量子点表面悬挂不同的配体，可以调谐其导带和价带的带边能级。
图 1.3 光探测器结构示意图[25]。（a）光电导（b）场效应光电晶体管（c）肖特基结光探测器（d）异质结型光探测器（e）p n 结型光探测器（f）p i n 型光探测器Figure 1.3 Device architecture of photodetectors[25]. (a) Photoconductor (b) Phototransistor (c)Schottky photodiode (d) Heterojunction photodiode (e) p–n type photodiode (f) p–i–n typephotodiode1.4.2 光探测器的性能参数（1）响应度响应度（R）是表征光探测器在入射光照下的光电转换能力[66]，是光探测器产生的光电流 与入射光功率 的比值，单位为安培每瓦（ Ъ ），公式为： = = （1.10）（2）探测率探测率（D ）是表征光探测器辐照区域上的灵敏度，单位为琼斯（Jones）[67]。假设光电晶体管中的噪声源主要来自于暗电流 ，则探测率可用公式定义为：
【参考文献】
相关博士学位论文 前2条
1 杨丹;基于场效应晶体管结构的纳米复合薄膜光电探测器研究[D];北京理工大学;2015年
2 何俊刚;硫化铅量子点基复合纳米晶的增强型光电探测器研究[D];华中科技大学;2014年
相关硕士学位论文 前1条
1 付春杰;场效应晶体管结构的高性能PbSe量子点红外探测器[D];北京理工大学;2016年
本文编号：2881274
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