贵金属-过渡金属异质对的表面等离子体共振光学整流效应

Optical rectification (OR) can convert visible/near-infrared (VIS/NIR) wavelengths into direct current (DC) and has been a significant impact on photodetection and optical energy conversion technologies toward the military and industry application. However, classical optical rectification theory can not address the plasmonic effect in the metal electrode and the device geometry of the metal-insulator-metal (MIM) structure, which limit the development of new metal nanomaterials and nanostructures with higher OR efficiency. .Based on our independent intellectual property experimental works on Ag (Cu)-TiO2-Ti nanodiodes, the plasmonic optical rectification (POR) effects are proposed to be investigated in the project. Research contents include the plasmonic properties of noble metal (Ag, Ag-Cu) and transition metal (Ni, Ti, Al) from subnanometer to subwavelength scale, the antenna properties of the three dimensional noble-transition metal heterodimers, the atom structures of metal-insulator-metal (MIM) heterojunction and its optic and quantum tunneling effects, the nanodiode properties of metal-insulator-metal (MIM) nanostructures at subwavelength scale, and the optical rectification properties of devices under different materials, wavelength and polarizations. .In VIS/NIR wavelengths, we exploit these contents to address the applicability of present optical rectification theory in the MIM structure with the plasmonic metal electrodes, to develop the nanocomposite with higher OR efficiency and to put forth a new theory on the plasmonic optical rectification of long-range electron (PORLE).

将光波长转化为直流电的光学整流(OR)效应研究,在光探测和光能量转换领域具有重大的军事和工业应用前景, 但经典光学整流理论不能考虑MIM结构金属电极的表面等离子体光学性质和器件几何形状, 局限了高光学整流效率金属纳米材料的发展. 基于具有自主知识产权的Ag(Cu)-TiO2-Ti二极管结构实验基础, 本项目研究贵金属(Ag, Ag-Cu)和过渡金属(Ni,Al,Ti)从亚纳米到亚波长尺寸范围的表面等离子体光学性质, 研究三维结构贵金属-过渡金属异质对的天线性质, 研究量子尺度上贵金属-绝缘体-过渡金属异质结的原子结构、光学性质和量子隧道效应, 研究亚波长尺寸上贵金属-绝缘体-过渡金属MIM结构的二极管性质. 在可见光-近红外波段,探明目前光学整流理论在表面等离子体材料为电极的MIM结构中的应用性, 发展高光学整流效应的纳米复合材料,建立长程电子表面等离子体共振光学整流(PORLE)机制.

光学整流现象可以将自由传播的光学波段电磁波直接转换为直流电，这个概念在40年前提出后，一直没有完全实验实现，主要原因实在纳米尺度制备出这个结构非常困难。目前具有两种代表性的器件设计，一是光学天线偶合二极管（Nature nano.10,1012，2015)，二是表面等离子纳米天线偶合热电子(Science 332, 702，2011),前者要求使用尺寸几纳米电容几安法(aF)的二极管，后者的纳米天线内整流机制和器件设计原则未知。本项目经过4年的努力研究，建立了新的表面等离子体共振内电场光学整流机制，能够将模拟太阳光转化为异质对(dimer)贵金属表面上的连续输出电子，基于这一整流机制，器件能够在亚纳米单层石墨烯到亚微米金属氧化物基体上设计出来，实现了光学整流器件的低成本制备。本项目在金属-绝缘体-金属(MIM)材料体系内，研究了Ag,Au等贵金属，TiO2，ZnO,石墨烯等绝缘体，Ti，Zn和Cu等过渡金属材料, 完成了贵金属(Ag, Ag-Cu)和过渡金属(Ni,Al,Ti)从亚纳米到亚波长尺寸范围的表面等离子体光学性质的研究, 完成了银铜纳米结构和钛纳米线制备, 完成了Ti-TiO2-AgCu和Zn-ZnO-Ag等MIM结构的实验制备, 得到了电流-电压关系，观察到了整流效果,实验测量了MIM二极管的频率响应,完成了光照条件下的MIM结构天线光学整流效率实验测量，证明了长程电子表面等离子体共振光学整流(PORLE)机制是可行的。本项目共发表SCI论文45篇,其中一区和TOP期刊12篇，申请1项和获得4项国家发明专利。本项目的研究成果对金属热电子科学前沿进行了物理概念上的突破，在金属功能材料领域，对太阳光在能量转化和储存过程中的使用提供了设计原则。