铝-半导体纳米异质结构调控及其等离子-激子耦合机制研究

As the dimension of semiconductors nano photoelectronic materials and device is reduced, light–matter coupling is typically weakened, thus limiting the responsibility, quantum yield and the applications of the materials in nanoscale. Based on the localization field enhancement effect of surface plasma resonance，the aluminium-diamond nano heterostructures were designed and prepared by method of explosion-doping and vacuum evaporation & deposition with PS beads as model. By investigating of the physical mechanism as well as the manipulation mechanism of the localization coupling effect, energy transfer and conversion processes of the as-fabricated metal-semiconductor nano-heterostructures, the plasmon-excition localization coupling effect mechanism model will be established. The absorption properties of light on semiconductor in close proximity of metal nano-arrays and the light-electronic conversion properties will be studied. With the advancement of novel fabrication techniques, the functionalities of metal-semiconductor nanostructures, increasement for better control of optical properties and energy flows on nanometer length will be achieved. The mechanism of the localization field enhancement effect and plasmon-excition localization coupling effect will used to enhance the responsibility on signals and the conversion efficiency in photoelectronic materials and device such as photo detectors.

针对纳米光电器件小的物质尺寸削弱了光和物质之间的相互作用，导致器件的光响应能力和量子转化效率受限的问题，课题提出利用铝等离子共振的局域电磁场增强效应提高半导体紫外光电器件响应特性的方法，对铝－金刚石（Al-ND）纳米异质结构进行调控并研究其等离子－激子耦合机制：采用爆轰掺杂及模板蒸镀技术，设计具有局域耦合效应的Al-ND纳米异质结构，并组建MSM型光探测器；建立该结构中材料形貌、点阵结构及周期性排布方式与其表面等离子共振特性及光生载流子的诱捕、迁移及传递效率之间的联系；结合光谱响应曲线，研究该结构中局域耦合、能量传递及转换的物理机理及调控机制，建立等离子-激子局域耦合效应机理模型，掌握光在位于金属纳米结构近场区域的半导体表面的吸收及光电转换特性；并利用该原理实现等离子共振增强光探测器件响应度及信噪比，为研究具有高响应特性及光电转换效率的新型紫外光电器件提供理论及实验依据。

本项目针对半导体纳米光电探测器小的物质尺寸减弱了光和物质之间的相互作用，不能充分利用入射光子，导致器件的光响应能力和量子转化效率受到限制的问题，利用表面等离子共振的局域电磁场增强效应提高MSM结构金刚石紫外探测器对入射光子的利用率，解决了其光响应能力和量子转化效率受到了结构的限制的问题，采用爆轰掺杂制备掺硼纳米金刚石及模板蒸镀技术制备纳米铝阵列，设计和制备具有局域耦合效应的金属－半导体纳米异质结构，借助SEM、UV-Vis及PL光谱分析该纳米异质材料形貌、点阵结构及周期性排布方式对其表面等离子共振特性及光生载流子的诱捕、迁移及传递效率的影响；结合其光谱响应曲线，研究了该结构中局域耦合、能量传递及转换的物理机理及调控机制，建立了等离子-激子局域耦合效应机理模型，掌握光在位于金属纳米结构近场区域的半导体表面的吸收及光电转换特性。获得了10倍于纯金刚石结构探测器光谱响应度，在225nm紫外光照射下达到28mA/W（5V偏压），对225nm和280nm的入射光拒偏比达到103。拓展并实现了利用量子点作为光选择性吸收层来增强石墨烯对光的响应特性，研制并实现了能在低的操作电压下对220-250nm的紫外光具有高达22AW-1的响应特性及良好的选择特性异质结构探测器。建立ZrO2 QDs-Gr能级图模型研究了该异质结构中电荷的分离及传输机制。提出了该异质结构中光和物质间增强的相互作用来自于氧化锆量子点对光的选择性吸收，以及氧化锆-石墨烯异质结构中由于功函数不一致导致了电荷在界面上产生的内建电场作用下有效分离和传输的机制。为增强光和物质的相互作用从而提高光电探测器性能提供了解决思路和基础。该项目研究在生物荧光检测、增强LED的蓝光发射，紫外光刻蚀、紫外光探测器、紫外光波导、紫外或蓝光数据存储及太阳能电池等领域具有良好的应用前景，为纳米结构器件的产业化生产和在实际领域应用提供了理论和实验依据。