CuO(Cu2O)-ZnO-Ag纳米线中的等离激元能量转移增强光电转换研究

Exploring higher efficiency schemes for electron–hole generation and separation is of paramount importance for realizing more efficient photon-to-electron conversion, which is the key of the photoelectric conversion materials and devices. Plasmonic energy transfer has been proposed as a promising alternative to electron-hole generation and separation in conventional semiconductor devices. In this project, we intends to design and preparation of CuO(Cu2O)-ZnO-Ag nanowire structures. Based on these nanostructures, plasmon resonance energy transfer (PRET) is introduced into the electron-hole generation and separation of semiconductor nanowires. With quantitative or semi-quantitative analysis of experiments and theories, the project will study the mechanisms of PRET. Furthermore, the non-contact photoelectric conversion properties of CuO(Cu2O)-ZnO-Ag nanowires based upon PRET would be investigated. In the nanowire structures, the PRET mechanism, simultaneously combining with the mechanisms of direct electron transfer and local field enhancement, would enhance the electron-hole generation. Moreover, for the structures, plasmonic energy transfer (i.e., PRET, direct electron transfer, and local field enhancement) would combine with the mechanism of electron-hole generation and separation arising from the p-n junction of CuO(Cu2O)-ZnO nanowires. The effects mentioned above will dramatically improve the efficiency of photoelectric conversion. The expected results will pave the way for engineering photoelectric conversion properties of metal-semiconductor nanowires, and bring new design rules in the planning of optoelectronic devices.

光电转换半导体材料与器件研究的核心任务是寻求更高效的电子-空穴对产生和分离的方法。等离激元能量转移是不同于常规半导体中吸收光子实现电子-空穴对产生和分离的另一种很有前景的新途径。本项目拟设计与制备CuO(Cu2O)-ZnO-Ag等金属-半导体纳米线结构。将等离激元共振能量转移（PRET）引入到半导体的电子-空穴对产生和分离机制中，采用定量或半定量的实验与理论分析，研究其中PRET的机制与规律，研究该结构基于PRET的非接触光电转换特性和规律。同时将PRET产生电子-空穴对与直接电子转移和局域场增强两种机制结合；并与CuO(Cu2O)-ZnO p-n结的电子-空穴对产生、输运和分离有机结合起来，通过以上因素的共同作用以改进和提高其光电转换性能。此项目的实施将为制备、设计和构建新型铜氧化物为基础的光电转换材料与器件提供新的途径。

本项目重点研究潜在低成本、高效光吸收的CuO(Cu2O)-Au系列纳米结构的等离激元能量转移增强的光电转换。测试其光吸收、光发射、荧光发射寿命等随几何参数、相互之间的取向和距离等的变化及影响。表征和分析各组分之间的相互作用及机理，以及研究等离激元共振能量转移和热电子转移增强的光电转换性能及其在太阳能电池、光探测器及光催化水分解等方面的应用。.1. 研究了CuO纳米线阵列的稳态吸收和荧光光谱，不同于块体CuO的发光特征，CuO纳米线在室温下出现了几个块体材料通常只有在低温下才会出现的缺陷和空位相关的发射带。分别出现了峰位在403 nm、474nm和489 nm的蓝绿发光带，以及在713 nm、735 nm和 758 nm的红光及近红外区域的发光带，这些在相同条件下的块体材料中很少见报道。CuO纳米线的光吸收和发射表明其既有间接禁带半导体（禁带宽度为1.22 eV）特征也有直接禁带半导体（禁带宽度为3.35 eV）特征。.2. 开发出了Cu2O-Au各向异性纳米线系列并分析和研究了其光谱特性，研究了结构参数对光谱、能量转移效率等的调制，研究了等离激元热电子转移增强的载流子产生和光催化性能，荧光寿命研究表明，由于等离激元热电子注入，Cu2O-Au纳米线的荧光寿命比单独Cu2O纳米线提高了5倍。.3. 设计并构筑了基于Cu2O-Au纳米线的等离激元热电子转移增强光探测器件。金属Au纳米颗粒在光照下吸收入射光子能量产生的等离激元热电子有足够能量跃过Au-Cu2O之间的肖特基势垒，在栅压作用下在Cu2O沟道中加速形成漂移电流，显著增强器件的光电导和其漏电流，显著提高光器件的光探测灵敏度。同时，由于金属等离激元热电子直接注入Cu2O导带的时间尺度在亚皮秒量级，所以Cu2O-Au纳米线在相同条件的光响应速度亦明显提高。.相比于单独半导体材料，这种铜氧化物基金属-半导体纳米结构的等离激元和激子之间存在增强的相互作用，产生协同作用，既增强了光俘获性能又增强了电子-空穴对的分离与输运能力。在光催化、太阳能电池、光电子器件等领域具有潜在的应用价值。