表面等離激元垂直遂穿熱電子光電探測器研究

2021-01-20 AdvancedScienceNews

    早在一百年前, 人們就認識到貴金屬(合金)，納米顆粒在可見光區表現出很強的寬帶光吸收特徵。這種現象實質上是由於費米能級附近導帶上的自由電子在與入射光場相互作用下在金屬表面發生的集體振蕩,產生所謂的局域表面等離激元共振（LSPR）。當這種LSPR弛豫時會產生大量的熱電子，可被廣泛應用在光電探測領域。

    石墨烯作為一種理想的光電傳導材料，具有單原子層的厚度和高電子遷移率，以及寬帶吸收等眾多優異的光電性質。因此利用等離激元納米天線結構產生的熱電子和石墨烯單層相結合，是一個在光電探測方面的研究熱點。相比於其他半導體材料，如TiO2作為接收層，石墨烯由於其具有零帶隙的特性，與相接觸的金屬結構之間沒有勢壘，熱電子可以直接注入其能帶，極大提高了等離激元熱電子的注入量子效率。然而，這種結合等離激元金屬結構和二維材料的光電子器件大都著眼於平面內的光電輸運，而對材料垂直方向上的熱電子遂穿效應鮮有涉及與研究。

    最近，北京大學物理學院方哲宇研究員和化學學院彭海林教授合作，通過在單層石墨烯上旋塗金納米顆粒，成功地在其垂直方向上探測到了熱電子的遂穿電流。利用超連續譜雷射激發，發現其光電響應在金顆粒共振峰處達到最強，證實由LSPR弛豫的等離激元熱電子可以遂穿石墨烯單層到達下電極。通過在上下電極間分別施加偏壓以及增大入射光強度等一系列調控手段，發現其光電流值隨電壓與光強的增大而增強。當入射光強度增大到一定值時，金納米結構與石墨烯間形成內建電場，促進了電子與空穴的複合，使光電流值達到飽和。此外，通過分別多次轉移石墨烯單層，製造多層石墨烯勢壘，發現熱電子的遂穿效應隨層數增加而變弱，該現象可以利用超快泵浦探測技術探究熱電子在不同層數的石墨烯勢壘中的激發態壽命以及其動態衰減過程進行解釋。

    總之，這種金納米顆粒/石墨烯垂直光電探測器利用等離激元熱電子的遂穿效應，實現了寬帶、高靈敏度的光電探測，在納米光子學領域有廣闊的應用前景。其垂直方向的結構設計，為未來器件小型化提供了一個可行的方案。相關文章發表在Laser & Photonics Reviews上，DOI: 10.1002/lpor.201600148上。 作者：Bowen Du, LiLin, Wei Liu, Shuai Zu, Ying Yu, Ziwei Li, Yimin Kang, Hailin Peng, Xing Zhu and Zheyu Fang*。原文連結：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201600148/full。



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