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表面等离激元垂直遂穿热电子光电探测器研究

    早在一百年前, 人们就认识到贵金属(合金),纳米颗粒在可见光区表现出很强的宽带光吸收特征。这种现象实质上是由于费米能级附近导带上的自由电子在与入射光场相互作用下在金属表面发生的集体振荡,产生所谓的局域表面等离激元共振(LSPR)。当这种LSPR弛豫时会产生大量的热电子,可被广泛应用在光电探测领域。

    石墨烯作为一种理想的光电传导材料,具有单原子层的厚度和高电子迁移率,以及宽带吸收等众多优异的光电性质。因此利用等离激元纳米天线结构产生的热电子和石墨烯单层相结合,是一个在光电探测方面的研究热点。相比于其他半导体材料,如TiO2作为接收层,石墨烯由于其具有零带隙的特性,与相接触的金属结构之间没有势垒,热电子可以直接注入其能带,极大提高了等离激元热电子的注入量子效率。然而,这种结合等离激元金属结构和二维材料的光电子器件大都着眼于平面内的光电输运,而对材料垂直方向上的热电子遂穿效应鲜有涉及与研究。

表面等离激元垂直遂穿热电子光电探测器研究

    最近,北京大学物理学院方哲宇研究员和化学学院彭海林教授合作,通过在单层石墨烯上旋涂金纳米颗粒,成功地在其垂直方向上探测到了热电子的遂穿电流。利用超连续谱激光激发,发现其光电响应在金颗粒共振峰处达到最强,证实由LSPR弛豫的等离激元热电子可以遂穿石墨烯单层到达下电极。通过在上下电极间分别施加偏压以及增大入射光强度等一系列调控手段,发现其光电流值随电压与光强的增大而增强。当入射光强度增大到一定值时,金纳米结构与石墨烯间形成内建电场,促进了电子与空穴的复合,使光电流值达到饱和。此外,通过分别多次转移石墨烯单层,制造多层石墨烯势垒,发现热电子的遂穿效应随层数增加而变弱,该现象可以利用超快泵浦探测技术探究热电子在不同层数的石墨烯势垒中的激发态寿命以及其动态衰减过程进行解释。

    总之,这种金纳米颗粒/石墨烯垂直光电探测器利用等离激元热电子的遂穿效应,实现了宽带、高灵敏度的光电探测,在纳米光子学领域有广阔的应用前景。其垂直方向的结构设计,为未来器件小型化提供了一个可行的方案。相关文章发表在Laser & Photonics Reviews上,DOI: 10.1002/lpor.201600148上。 作者:Bowen Du, LiLin, Wei Liu, Shuai Zu, Ying Yu, Ziwei Li, Yimin Kang, Hailin Peng, Xing Zhu and Zheyu Fang*原文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201600148/full



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