复合纳米森林的等离激元多重杂化光吸收特性基础研究

Research work on photodetectors is of scientific significance. Optical absorbers with broadband high absorptance are the necessary prerequisite to realize photodetectors of high-performance and for their large-scale applications. In this project, influence of Plasmon multi-level hybridization (PMH) existing in composite nanoforests on optical absorbing features of the nanoforests is studied. By combining light-trapping effect with the PMH effect, this project proposes a plasmonic absorber based on the composite nanoforests. Such a novel absorber is of significant advantages including broadband absorption, high absorptance and polarization-insensitive ability, which breaks limitations of conventional optical absorbers in their absorbing capability. To fabricate the composite nanoforests, repolymerization mechanism is intensively studied. Furthermore, based on the repolymerization effect, a preparation process for nanoforests is proposed, which is able to solve problems in aspects of small throughput, inconvenient manipulation and substrate-material dependence. We would say our research suggests a new method to construct and fabricate photodetectors of high performance, easy fabrication and low costs. In addition, the research work this project is going to explore can be further taken as a reference for developing other micro sensors.

光电探测器的研究具有重要的科学意义。宽谱而高效的光吸收是实现高性能光电探测器的先决条件，也是实现其大规模应用的基本前提。本项目着力研究复合纳米森林的等离激元多重杂化效应及其对结构光吸收特性的影响。将纳米森林的陷光效应与等离激元多重杂化效应相结合，本项目提出了一种基于复合纳米森林的等离激元光吸收新结构，具有宽光谱、高吸收、偏振不敏感等显著优点，突破了传统光吸收结构在光吸收能力上的限制。为了制备复合纳米森林，本项目深入研究再聚合效应的机理，并基于再聚合效应提出了一种制备纳米森林的新型工艺，解决了传统光吸收结构在方便快速加工、批量并行加工、多材料可选择性加工等方面的诸多问题。本项目的研究工作将为研制与构建性能优化、工艺简单、成本低廉的光电探测器件打开一条新的思路，也将为其它传感器件的研制提供具有启发性的借鉴。

本项目开展了复合纳米森林结构的多重杂化表面等离激元机理研究，结合有限元仿真方法，分析了多层级复合纳米结构在入射光作用下的不同共振模式，实现了纳米结构的宽谱高吸收特性。研究发现，复合纳米森林结构的宽谱高吸收特性与入射光的偏振无关，也与入射光的入射角无关，从而使得纳米森林结构具有非常广泛的器件集成应用。在复合纳米森林结构具有宽谱高吸收特性的基础上，本项目实现了该结构在MEMS热电堆红外传感器上的原位集成制备，构建了以复合纳米森林结构为光吸收层，以氮化硅介质膜为热传导层的新型MEMS热电堆红外传感器。通过集成，传感器的性能在短波波段内提升3-5倍，在人体红外波段提升了35%以上。纳米森林结构的宽谱高吸收特性，以及其在MEMS热电堆红外传感器上集成制备相关的技术已经实现了成果转化，集成纳米森林结构的MEMS热电堆红外热电堆器件已通过多项产品资质认证，广泛应用于工业生产、生物医疗领域。从2020年初至今，在我国抗击新冠病毒疫情期间，该传感器累积出货量已突破2500万颗（套），为我国抗击新冠疫情以及平稳有序的复工复产做出了重要的贡献。.同时，纳米森林结构的多重杂化表面等离激元效应也使之具备了3D电磁场“热点”局域增强特性，基于该特性，本项目制备了多样性的3D SERS检测器件，结合金-银纳米笼的超疏水高黏附特点，实现了孔雀石绿、福美双、牛血清蛋白等痕量被测生化分子在器件表面的蒸发自富集，将器件的检测极限提高到pM量级；另外，本项目也制备了Au-ZnO@纳米森林复合结构，基于ZnO材料的光催化作用，实现了器件的可重复使用和长期稳定性。.本项目取得了多项具有自主知识产权的研究成果，基于这些研究成果，共发表了学术论文41篇，申请发明专利12项，授权发明专利5项。本项目的研究具有重要的应用价值，可为研制与构建高性能MEMS传感器开辟一条新的技术道路，本项目研究成果的推广，将为MEMS传感器及物联网技术的发展做出一定的贡献。