基于扩散载流子的局域表面等离子体共振的产生机理和特性研究

To realize Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) in heavily-doped semiconductor nanocrystals, both high carrier concentration and high carrier mobility are required. However, it is almost impossible to lower the scattering rate from the ionized impurity while maintaining a high carrier concentration. To resolve this issue, we propose to use a core-shell structure, taking advantage of the diffusive charges from the core to the shell. In this project, the mechanism and characteristics of the LSPR arising from the diffusive charges will be thoroughly studied both theoretically and experimentally. First, we plan to build a theory studying the electron concentration distribution in the structure. With a non-uniform carrier distribution, the proposed structure would acquire a spatially varying permittivity. Next, the optical property of this special structure (equivalent to an optical gradient material) will be calculated based on classical electrodynamics. The proposed theory is expected to be capable of both revealing the underlying physics of the LSPR arising from the diffusive electrons and relating the material and geometrical parameters (core radius, shell thickness, doping concentration etc.) with the LSPR property. Meanwhile, experimentally, we would focus on developing the method for synthesizing the core-shell structure based on the liquid-phase method. The structural and optical properties of the synthesized materials will be fully characterized. Based on the experimental data, the proposed theory will be tested and amended for further understanding of generating LSPR in gradient materials. This project is expected to develop a theoretical foundation as well as a preliminary experimental protocol for realizing high quality LSPR using core-shell structure.

在实现基于高掺杂半导体纳米晶的局域表面等离子体共振(LSPR)的过程中，往往存在“高载流子浓度与低电离杂质浓度无法同时满足的矛盾”。针对这一科学问题，我们提出一种通过纳米晶核壳结构中，核与壳之间电子扩散的解决思路。本项目将对核壳结构中，由扩散电子导致的LSPR进行系统的理论研究和初步的实验探索。理论研究方面，将包括电子扩散形成浓度梯度的定量研究，电子扩散形成梯度材料的LSPR的机理和共振特性研究，将着重揭示梯度材料LSPR产生的机理, 以及各个材料和几何结构参数（内核半径，外壳厚度，掺杂浓度等）对最终电子浓度梯度和LSPR特性的影响。实验研究方面，将主要着眼于摸索出纳米晶核壳结构的合成方法以及进行相关微观结构和光学特性的表征，基于实验结果对理论进行验证和改进，进一步揭示LSPR的产生机理和特性。该课题的研究有望为实现相关波段高品质LSPR提供理论基础和实验参考。

半导体纳米晶作为一种新兴的LSPR材料，有着相比金属材料更高的调控性。但是在掺杂半导体中，电离杂质对载流子的散射作用较强，在红外波段的共振品质因子一直不高。本项目旨在探索新的方法和策略，实现红外波段高品质共振。理论上我们提出利用不同结构中的高迁移率扩散载流子来提高共振品质的思路。通过求解核壳结构中(重掺杂内核、轻掺杂壳层)与半导体平衡载流子浓度耦合的泊松方程，得到了核壳结构中的扩散载流子的浓度分布，定量计算了光学常数沿着径向渐变的核壳结构的LSPR特性。计算结果表明，随着壳层厚度从2nm-20nm的改变，其中共振峰3可以覆盖中红外、远红外波段，而且共振品质比目前文献中报道的结果都高了约一个数量级。在核壳结构的基础之上，我们进一步讨论了垂直结构中扩散载流子的LSPR特性，借助COMSOL已有的模块分别计算了扩散载流子的浓度分布和对应的光学响应。数值模拟的结果表明，在这种结构中可以兼顾宽光谱和高响应，在3THz到10THz波段内的电场增强因子都大于10。除了理论上研究扩散载流子的LSPR，本项目中，我们还积极探索利用其他特殊几何形貌，提升共振效果的方法。在合成纳米晶的过程中，通过调节表面活性剂的成分和比例，获得了各种特殊形貌的纳米晶包括：三角形，三脚架形，四脚架形。特殊形貌纳米晶展现出了比球形结构更加强烈的近场增强效应。本项目旨在建立研究扩散载流子共振的相关理论，探索提高半导体纳米晶LSPR共振品质和效果的可能方法，为实现相关波段LSPR的应用提供理论基础和实验参考。