基于局域表面等离子体共振增强的硅纳米线光电流特性及其物理机制的研究

Noble metal nanoparticles exhibit extraordinary optical properties due to their localized surface plasmon resonances (LSPR), such as extremely large local electric field enhancement and strong light scattering. These properties can be efficiently utilized for enhancing the light absorption of the adjacent materials. In this proposal, we intend to improve the light absorption and thereafter the photocurrent of silicon nanowires through excitation of the localized surface plasmon resonances of gold nanorods that are homogeneously assembled onto the surface of the silicon nanowires. In our studies, the gold nanorods with plasmon wavelength in resonance with the leaky mode of silicon nanowire will first be homogeneously assembled onto an individual silicon nanowire using chemical method. The photocurrent of the hybrid nanostructure will then be measured to demonstrate the enhancement of the photocurrent by the plasmon resonances of the gold nanorods. The influence of various parameters, including the volume of the nanorods, the surface density of the nanorods on the silicon nanowire, the separation between the nanorods and the silicon surface, the wavelength and polarization of the incident light, will be systematically cultivated. Moreover, electrodynamic simulations will be employed to reveal the underlying mechanisms governing the enhancement of the photocurrent of the silicon nanowire by the adjacent gold nanorods. We believe that our study can pave the way for designing and fabrication of next generation high performance silicon nanowire-based photodetectors.

贵金属纳米颗粒具有局域表面等离子体共振（LSPR）特性，处于共振激发时颗粒可以极大增强其周围的局域电场，同时将入射光强烈散射进入介质内部。这两个效应可以有效增强颗粒周围介质的光吸收。本申请项目将结合我们前期的研究基础，提出将金纳米棒与硅纳米线复合，利用金纳米棒的LSPR来提高硅纳米线自身的光吸收，从而实现其光电流的增强。将选择LSPR与硅纳米线泄漏光学模匹配的金纳米棒，采用化学组装的方法将其均匀组装到硅纳米线上，进而在单根复合结构上系统研究金纳米棒的体积、分布密度、金纳米棒与纳米线表面的间距、入射光的波长和偏振等对光电流的影响，获得LSPR对硅纳米线光电流增强的技术。基于实验结果，我们也将聚焦相关的物理问题，深入研究硅纳米线的泄漏光学模式与LSPR的电磁耦合效应，揭示光电流增强的物理机制。本研究将为解决硅纳米线光吸收弱这一制作硅基高灵敏度纳米光探测器的瓶颈问题提供理论依据和技术积累。

在本项目中，我们以提高介电体纳米材料的光吸收和光电转换效率为目标，以一维硅纳米线介电体纳米结构为研究对象，通过将金属纳米颗粒与硅纳米线进行复合，利用LSPR与纳米线的光学泄露模的电磁场耦合作用，提高材料和结构对入射光的吸收和光电转换效率，并对相关的机理进行深入探讨。主要的研究内容包括以下四个方面：（1）硅纳米线阵列的制作及其光学泄露模的研究；（2）硅纳米线阵列的光电特性研究；（3）金纳米结构的LSPR与硅纳米结构的电磁场耦合研究；（4）金纳米结构@一维介电体复合结构阵列的光学和光电流特性研究。其中，工作内容（1）取得的主要成果为成功制作了具有不同直径和长度的硅纳米线阵列。系统研究了具有不同周期和尺寸的硅纳米线阵列的光学泄漏模。发现其泄漏模式数随着纳米线直径的增大而增加。随着阵列周期的减小，纳米线间距会变小，导致纳米线之间的泄漏模产生相互耦合，最终导致新的泄漏模式的产生从而增加其光吸收。工作内容（2）取得的主要成果为系统研究了硅纳米线阵列的光伏特性，发现硅纳米线光学泄露模的存在，将使得在单根硅纳米线中形成驻波，从而提高纳米线的光吸收，增加光生载流子的数目，最终提高纳米线的光电转换效率。通过在硅纳米线表面复合金纳米颗粒，能够通过LSPR与纳米线光学泄露模的相互作用，进一步提升纳米线的光吸收。工作内容（3）取得的主要成果为设计了金纳米球−硅纳米球的二聚体结构，利用LSPR与硅纳米球的泄露模之间的相互作用，实现了提高光的前向散射。工作内容（4）取得的主要成果包括：（a）制作了柔性自支撑的硅纳米线纸结构，并在其上复合金纳米颗粒，利用LSPR与纳米线泄露模的相互作用，提高对入射光的吸收和光场局域，使得复合纳米线纸可以做为一种优异的SERS基底；（b）设计制备了金纳米棒复合的氧化铝阵列模板，利用金纳米棒的LSPR与氧化铝阵列的法布里−珀罗干涉模式产生电磁耦合作用，产生具有较大场增强且共振谱型丰富的LSPR−FP共振模式，成功实现了对CdSe/ZnO量子点发光峰型及强度的调控；（c）制备了具有大面积（厘米尺寸）、蜂房结构对称性的金@氧化铝核壳纳米棒有序阵列结构，利用金纳米壳层的LSPR与氧化铝核区的电磁相互作用，诱导出集体型表面等离激元共振，使得在相邻纳米棒之间产生较强的电磁场增强，以此提高核壳纳米棒阵列对入射光的吸收，从而最终提高阵列结构的光电流响应，获得了220倍的增益倍数。