拓扑绝缘体纳米结构表面等离子体效应及其光热转换机制研究

The surface plasma has been an important research direction in topological insulator researching fields, the surface plasma highlights the electronic surface states in topological insulator nanostructure, and surface plasma photothermal effect may substantially affect the photoelectric performance. This project aims to research the core problem of surface plasma in Bi2Se3 narrow gap semiconductor nanomaterial. The effect of growth dynamic process on the regulating of the material morphology, size, layer thickness and growth mechanism of materials, deeply exploring the influence of different material structure on the basic properties of materials based on the topological insulator-quantum theory, in order to obtain the key influencing factors to affect the surface plasma properties. Deeply understanding of nanomaterial microscopic transport mechanism and regulation mode through studying the material light response characteristics, then further research influencing mechanism, regulation way and physical process of topological insulator surface plasma characteristics. Then, the photothermal conversion mechanism of topological insulator nanostructure, analysis of effect on the characteristic of the surface plasma on photothermal conversion. This study not only enriches the research of basic physics problems in topological insulator, but also is significant to relative application.

表面等离子体已经成为拓扑绝缘体研究领域重要的一环，拓扑绝缘体纳米结构表面等离子体凸显了拓扑绝缘体电子表面态，该类材料的表面等离子体效应及其光热效应实质性地影响着材料的光电特性。本项目拟围绕Bi2Se3为代表的拓扑绝缘体纳米结构表面等离子体效应这一核心问题展开研究，基于拓扑绝缘体-量子理论设计表面等离子共振增强光热转换的纳米结构，系统研究材料生长动力学过程对材料形貌、尺寸和层数的调控方式及其生长机制，揭示材料结构特征对其基本性能的影响规律，获取材料结构及其物性对表面等离子体影响的关键因素；通过研究材料光响应特点，理解体系中载流子微观输运过程，深入研究拓扑绝缘体纳米结构表面等离子特性影调控规律和物理过程。在此基础上，探讨拓扑绝缘体纳米材料光热转换与表面等离子体的存在的内在关系，给出光热转换的物理机理和调控方式，该研究不仅有着非常丰富的物理内涵，而且在推进拓扑绝缘体的实际应用也具有重要意义。

纳米材料光热转换在诸多领域都具有重要应用，国内外都广泛关注相关技术的开发和机制机理的研究。项目以拓扑绝缘体为基础，拓展到多个不同系列的半导体纳米材料的光热转换特性的研究，材料体系主要包括：拓扑绝缘体、红外等离子半导体、窄带隙半导体、以及一些重要二维层状材料。(1)基于准固相原位合成纳米银技术，实现了在自沉积制备Bi2Se3纳米薄膜表面耦合纳米银薄膜的制备，实现可控微结构Ag/Bi2Se3复合薄膜，通过控制激光参数和实验条件实现纳米薄膜尺寸可调，位置可控在不同的衬底上使纳米结构形成、转移、图形化同时实现，该研究为大面积制备纳米材料排布微结构成为可能。(2)利用时域有限差分和有限元方法，并结合实验数据，开展拓扑绝缘体纳米结构表面等离子特性的研究。研究了拓扑绝缘体纳米结构中畴之间耦合Raman散射的增强随偏振的变化关系，在纳米颗粒之间所产生的电磁场增强，纳米颗粒形貌变化对光激发电磁场十分敏感。利用等离子体杂化模型，计算该体系的电场强度随偏振的变化关系，揭示局域等离子体与传播等离子体间的相互作用的关系。(3)Ag2Se作为一种拓扑绝缘体量子材料，其制备方法和光热转换特性被系统研究。基于微波辅助溶剂热法可控合成具有优良理化性质的空壳纳米小球，纳米空壳结构表现出较高的光热转化效率，由于其等离子共振特性而具有优异的光热转换特性，相关问题的研究对理解和调控纳米材料光热转换特性具有十分重要的意义。(4)利用MoS2纳米片光热转换产生的热能，而不是来自激光的能量实现了氧化锌纳米晶在MoS2表面的生长，且氧化锌纳米晶表现二维层状生长方式并且沿着MoS2纳米片表面生长。能够精准控温的电加热器在光电子器件领域已经广泛的应用，非接触式石墨烯光加热器在微控相关领域具有重要意义，其优异的特性使得纳米材料在太阳能驱动蒸发中的质量变化显着增加1.25kg m-2，在污水处理中，所获得的蒸馏水表现出比生活用水更高的电阻值（9.65MΩ）并达到国际饮用水标准。