CuO/Cu2O纳米线与银混合结构在光电转换中激子输运特性研究

Copper oxide includes cupric oxide and cuprous oxide, their bandgap is in the range of 1.2-2.2 eV. In this range, excitons (i.e. electron-hole pairs) can be generated as much as possible without creating too much heat under irradiation. So they are regarded as potential materials for solar energy conversion. To further increase photoelectric conversion efficiency of devices based on copper oxide, the key is to control the process of generation and transportation of excitons in copper oxide. The resonance interaction should happen between excitons and surface plasmon of metal nanoparticles. The interaction could control the optical process of excitons. Ag has the largest surface plasmon strength across most of the spectrum from 300 to 1200 nm. It can influence the generation and transportation of excitons of the copper oxide. However, until now the mechanism of the influence of it has not been demonstrated. The previous report has only shown the Cu2O core-Au shell hybrid structure influenced the optical properties of Au because of larger dielectric constant of Cu2O. This study should design and fabricate CuO/Cu2O hybrid nanowires, and discuss the influence of the surface plasmon of Ag nanoparticles on the generation and transportation of the excitons in the CuO/Cu2O hybrid nanowire. This research will be the application in the new device for photoelectric conversion and the study of the exciton physics.

铜的氧化物半导体，包括了氧化铜（CuO）与氧化亚铜（Cu2O）,其带隙范围在1.2-2.2 eV，这一带隙范围的半导体能够将尽可能多的太阳光转化为激子而不会产生过量的热，因此是极具潜力的太阳能光电转换材料。对激子的产生和输运过程进行控制是提高铜氧化物光电转换效率的关键。金属纳米颗粒的表面等离激元可以与激子产生谐振作用，利用金属纳米颗粒的这种特性可以控制激子的光学过程。银在300-1200 nm波长范围内拥有最大的表面等离激元强度，其对铜氧化物激子的产生和输运的控制机制目前尚未阐明，现有的报道只表明了Cu2O与Au核壳混合结构由于Cu2O较大的介电常数引起了Au光学特性的变化。本研究将设计与制备CuO/Cu2O复合纳米线，并进一步研究CuO/Cu2O复合纳米线激子的产生和输运受Ag纳米颗粒表面等离激元影响的机制，为其作为新型太阳能光电转换器件和激子物理的研究提供基础。

本项目基于铜氧化物（CuO和Cu2O）独特的激子特性，研究了CuO纳米线光电转换性能，特别针对Cu2O纳米线的激子特性开展研究（大的激子束缚能及长激子寿命），已知Cu2O的激子有四个激子系（包括yellow, green, blue, violet系），通过对Cu2O纳米线的光致发光特性的研究，发现了在低维尺度下其Green系的激子发光特性不同于其体材料，首先在低维尺度下，green系激子表现出更好的光学跃迁性能，其主激子发射峰出现在2.36 eV附近，且在主发射峰的低能量边存在一个声子辅助的带边激子发光峰，Cu2O纳米线在室温下就可观察到明显的白色发光，其来源于出现的高能激子，主激子及红色波长段的声子辅助激子的复合发光。重要的是，单根Cu2O纳米线中存在激子发光的谐振腔本征模式，激子在纳米线中产生谐振效应，在不同长度和直径下，产生的激子本征模式数量与模式能量间距有所不同。同时声子辅助的带边激子发光峰也存在激子的本征谐振模式，这个也应该由光学腔的谐振模式引起。.纳米线中激子发光产生的谐振本征模式对于研究室温下激子光学性质以及激子与物质相互作用有重要意义，受光学谐振腔的影响，Cu2O纳米线的Green系激子发射得到加强，同时其声子辅助的激子发射也得到增强。Cu2O纳米线激子的增强光学发射及光学腔本征模式对激子光学器件的研究及与激子有关的量子光学研究都有潜在应用价值。