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金属-二硫化钼异质结界面等离激元诱导热电子超快特性研究

光电探测器由于其广泛应用和发展前景,其用途遍及射线探测、工业自动化控制、激光测距、红外热成像以及红外遥感等领域。所谓的光电探测器是指利用半导体材料的光电效应(含光电导和光生伏特效应)所制成的半导体器件。决定光电探测器性能的关键性三个参数包含响应度、光谱响应范围和响应时间。传统半导体器件,比如Si,Ge,CdSe,InGaAs等,受限于其材料本身特性和制备工艺等因素,制备而成的光电器件的光电转换效率较低,光谱响应范围一般较窄且响应时间一般是在纳秒量级。而二维过渡金属硫化物由于它们优异的光电子特性和在可见近红外波段可调的光学带隙,使得其在光电探测器件和光伏器件上有很大的应用,近年来成为了研究的热点。利用金属的表面等离激元特性来实现对光的强吸收和高效的光电转换是近年来非常热门的研究课题。对于等离激元热电子的光电探测器件而言,利用二维材料集成金属纳米结构是一种非常有效的方案。针对光电子器件的应用,如何找到一个制备简单,成本低并具备超快响应特性的金属半导体器件一直是一个非常重要的研究课题。

金属-二硫化钼异质结界面等离激元诱导热电子超快特性研究

北京大学物理学院方哲宇课题组首次利用模板溅射结合的方法制备了金纳米阵列二硫化钼的异质结,利用飞秒泵浦探测光谱技术对该异质结界面处的超快电荷转移过程进行了系统的研究并作了详细的阐述。这种异质结具备制备成本低、制作过程简单并具有宽波段的光谱响应和超快响应特性。通过飞秒泵浦探测光谱技术,测量了不同功率密度和偏振下的差分反射谱,通过对比界面处有无电子阻挡层的实验结果,证明了在金纳米阵列二硫化钼异质结构中,由于金纳米结构中表面等离激元的激发,所诱导产生的大量的热电子可以被转移到二硫化钼单层中。界面处热电子的转移时间发生在大约200飞秒量级,注入到二硫化钼单层中的电子密度约为5.6×1012 cm-2。另外,这种异质结的随功率变化的光致发光谱表明二硫化钼的所辐射出去的激子能量能被基底金纳米阵列结构增强、耦合并辐射出去。这就意味着类似的二维半导体材料或者量子点能通过该金属纳米阵列结构实现对其光致发光特性的主动调控。值得注意的是该金属纳米阵列结构是可以通过调节制备工艺实现调控,同时具备从可见光到近红外的宽波段的光谱响应范围;由于制备该异质结采用的是电化学和溅射法结合的工艺,其制备成本极低相对于常规的物理制备方法来说。

这种金属半导体异质结的制备方法不仅为开发高效能和低成本的光电探测器件提供了新的思路,而且该异质结中表面等离激元所诱导的大量的热电子的产生和超快热电子转移,可有效地提升光捕获和光电转换的效率,从而应用于新型二维光电子器件和太阳能电池等方面。

相关论文在线发表在在Advanced Functional Materials DOI:10.1002/adfm.201601779)上,并作为当期Frontispiece进行特色推荐。


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