基于表面等离激元的纳米棒阵列波长选择的红外光探测器研究

It draws significant attention within the science community about how to apply surface plasmon polaritons(SPPs) into device designing and fabrication. Under that background, we managed to introduce SPPs into nanorod arrays to detect infrared light through the photoelectric conversion from the nonradiative decay of SPPs. Incident photons coupled into the free electronics in the metal particles epitaxially grown on top of the nanorods excite resonant plasmons, which decay into energetic electron-hole pairs, resulting a detectable photocurrent if the generated "hot" electrons have enough energies to cross over the Schottky barrier at the interface and reach the semiconductor side. This novel structure of 2-dimentional array of metal-semiconductor Schottky diodes is capable of collecting weak signals for the near field coupling enhancement effect. Furthermore, how the particle size, shape, interparticle spacing affect the resonant wavelength is also studied. In general, this kind of device our project adopted is able to detect light with the energy well below the semiconductor's band gap, permitting a detection window covering the entire near infrared range of the electromagnetic spectrum at room temperature. We believe this mechanism of photoelectric conversion originated from the nonradiative decay of SPPs may have additional applications in infrared imaging, optical communication,etc.

如何将金属表面等离激元应用于器件是目前大家关注的热点。基于纳米结构与金属表面等离激元非辐射衰变的光电转换效应和近场耦合增强效应实现高效的红外探测，是一个器件应用的突破方向。本项目基于半导体纳米棒阵列顶部纳米金独特的表面等离激元非辐射衰变效应，即表面等离激元激发束缚态的低能电子产生电子-空穴对，激发电子越过界面处的肖特基势垒进入半导体一侧，形成可探测的电流，实现对红外光波长的选择性探测。研究工作采用精确控制的金属-半导体肖特基结的二维平面阵列器件结构及表面纳米金的近场耦合增强效应，实现微弱信号的收集。同时，深入研究不同尺寸/形貌纳米金表面等离激元非辐射衰变机理及近场耦合增强效应对等离激元共振频率的影响。本项目研究的探测器可探测光子能量远小于半导体禁带宽度的光，可以覆盖红外谱域。本课题涉及的等离激元非辐射衰变时光电转换机制在红外成像、光通信等领域也有着重要的理论与应用价值。

本项目基于半导体纳米棒阵列顶部纳米金独特的表面等离激元非辐射衰变效应，即表面等离激元激发束缚态的低能电子产生电子-空穴对，激发电子越过界面处的肖特基势垒进入半导体一侧，形成可探测的电流，实现对红外光波长的选择性探测。因为该项目需要在导电衬底生长CdS纳米棒阵列，但是CdS纳米棒在ITO衬底表面的成核机理尚没有完全确定，可能与ITO表面的粗糙度有关，文献中也没有相关研究，因此如何在同一块衬底上可控的制备出具有不同粗糙度的ITO薄膜是本项目需解决的关键问题。经过一年的努力，大规模硫化镉（CdS）纳米棒阵列已经成功地通过水热法在几种不同的基底上合成。在其生长的实验过程中，我们观察到不同基底上的硫化镉纳米棒阵列的粘附强度差异显著，导致一些CdS涂层容易被去离子水冲走。带着疑惑和怀疑，我们通过使用原子力显微镜认真研究了所有基底的原始形态。基底的相位，形态，晶体结构和光电性能通过X-射线衍射仪，扫描电子显微镜，透射电子显微镜，拉曼光谱仪和电流-电压）探针台来研究。基于衬底粗糙度的CdS纳米棒水热法的生长机理在这些实验结果的基础上被提出来。我们的实验研究提供了一种任何形状的不同一维材料基底使用液相外延法的通用方法。关于六边形金微盘二聚物的研究报道还很少见。CdS 纳米棒被认为是可用于可见光探测的 n型半导体材料。其制备的纳米棒具有六棱柱的结构。由于它的直接带隙宽达 2.42 eV，只有能量高于带隙的光子才能激发电子空穴对（对于波长大约 500 nm），低能量的光子就不会被吸收。通过将金蒸镀到六棱柱形状的CdS纳米线顶端，可以得到六边形的金纳米盘。通过激发局域表面等离激元，金颗粒可以在纳米尺度上通过将电磁波耦合到自由电子的集体振动模式来增强对光的控制作用。如实验观察到，这可以显著的增强电磁波的吸收。相关的模拟与实验进一步阐明了金纳米盘厚度以及边长的改变对其吸收谱的影响。在此基础上我们将采用透明电极/介质层/金属结构实现热载流子的高效光激发和探测，与外施电场结合实现对光波长的选择和分辨。具体工作上，系统研究能量匹配的材料体系获得对特定波段红外光产生高灵敏响应，研究金属表面等离激元结构非辐射衰变机理对热电子在介质层和金属层传输动量匹配的影响，优化热载流子激发、输运和收集器件结构设计和制备工艺，研制出波长分辨率可以达到±1nm以上的探测器件。