纳米金属锡/石墨烯表面等离子耦合机制及其对光电性能的影响

Si-based thin films exhibit unique properties relevant to a wide range of applications, including but not limited to optoelectronics and photovoltaics. The decreased physical thickness of Si materials could offer lower production cost, however, will repress the photon absorption as well. One of the most promising pathways to resolve this problem is to increase the photon absorption cross-section, which can be enhanced by embedding noble metallic nanoparticles (NMNPs) into matrix to induce coupling effects between the localized surface plasmonic near-field around the NMNPs and the films. However, the embedded nano-Au and/or -Ag, which are the most used surface plasmonic materials, will result in higher near-filed loss due to the defects arising from the differences of electronic structures between nano-Au and/or -Ag and Si. In this project, we will focus on the hybrid structures composing of nano-metallic Sn (β-Sn) and graphene (Gr), which belong to the same group with Si. On the basis of the modulation of surface plasmonic features of nano-β-Sn/Gr composites by controlled-synthesis through liquid-phase routes, we will investigate the surface plasmon coupling mechanism of nano-β-Sn/Gr by employing both optical characterizations and finite-element method (FEM), and elucidate the effect of such coupling on the optoelectronic performance by constructing the β-Sn/Gr-based photodetectors. Finally, the results of the proposed project could pave a way for β-Sn/Gr hybrid structures as novel surface plasmonic materials in the optoelectronic field and provide theoretical and experimental supports to achieve all-IV-group optoelectronic devices with low-cost and high efficiency.

硅基薄膜在光电领域具有广泛的应用，但硅材料厚度的降低是把双刃剑：虽降低了成本，但也使其光吸收性能进一步减弱。镶嵌在介质中的贵金属纳米颗粒可通过局域表面等离子近场效应来增强薄膜的光吸收截面，因而是一种克服该矛盾的有效手段。但主流表面等离子材料（纳米金、银）因其电子结构与硅异质而在硅基薄膜中引入缺陷，从而将导致较大的近场损失。本项目拟以与硅同族的纳米金属锡（β-Sn）和石墨烯（Gr）的复合结构（β-Sn/Gr）为研究对象，在通过液相法制备表面等离子特性可控的β-Sn/Gr复合结构的基础上，结合光学表征与有限元仿真揭示该复合结构的表面等离子耦合机制；构筑以β-Sn/Gr复合结构为基础的光电探测器，探索上述表面等离子共振耦合对其光电特性的影响规律。本项目期望拓展β-Sn/Gr复合结构作为新型表面等离子材料在光电领域中的应用，为实现低成本、高效率的全IV族光电器件提供理论依据和试验支持。

硅基薄膜在光学、光电及光伏领域具有极大的应用潜力，但其工作效率受限于硅材料较小的光吸收截面。金属锡和石墨烯（或还原氧化石墨烯）的主流材料与硅同族，因此，以这二者为组元构筑表面等离子杂化结构可在避免电子缺陷的前提下，利用其可调谐的近场效应来增强硅薄膜的光吸收性能，从而有望实现低成本、高效率的全IV族光学、光电、光伏器件的制备。.本项目首先在由液相法制备出尺寸、形貌可调金属锡（β-Sn）纳米颗粒的基础上，通过一步共还原法成功制备了金属锡/还原氧化石墨烯（β-Sn/rGO）杂化结构。其次，本项目对具有表面等离子性质的β-Sn和rGO之间的耦合机理进行了研究，并在此基础上对耦合机制影响杂化结构光学性能的规律进行了探索。试验表征与有限元仿真结果表明，β-Sn纳米颗粒及其杂化结构的可调谐表面等离子特性均符合经典Mie理论，即一方面，纳米颗粒局域表面等离子共振模式的数量将随其尺寸的变大而增多，其共振频率也将随纳米颗粒尺寸的增大而红移；另一方面，杂化结构的共振频率受β-Sn和rGO共振频率的影响，可在二者频率间进行调节。另外，虽然在物理机制上，β-Sn基表面等离子材料与传统表面等离子材料（如金、银）相同，但与传统材料相比，β-Sn基表面等离子材料具有可覆盖紫外-可见-近红外光区的宽光谱响应特性，而且其在紫外光区的响应能力更强。因此，β-Sn基表面等离子材料在硅基光学、光电、光伏领域具有更大的应用潜力。此外，本项目在表面等离子耦合机制研究的基础上，进行了表面等离子-激子耦合机制的拓展性研究。结果表明，这种发生在表面等离子材料与半导体材料之间耦合机制对杂化结构的光学、光电性能具有显著的增强作用。.综上所述，本项目的实施为理解非传统表面等离子材料的近场增强效应做出了贡献，从而为拓展其在低成本、高效率薄膜光学、光电、光伏领域中的应用提供了材料准备和理论依据，具有较高的科学意义和应用价值。