基于二维材料调控的等离激元热电子转移及光电探测

The plasmonic hot electrons generated from the decay of surface plasmons can transfer across the Schottky barrier at a metal-semiconductor interface, enabling generation of photocurrent with below bandgap photon illumination, extending detectable wavelength range for semiconductor devices. However, the efficiency of hot electrons production and emission across the barrier has been too low for practical applications. Two-dimensional (2D) materials as new emerging semiconductors typically have superior electrical properties, atomically thin structures and controllable work function. On one hand, it is promising to integrate these materials with plasmonic nanostructures to build hybrid structures, further opening the materials suite for hot electron photodetection (photoconductive device). On the other hand, the controllable work function of such atomically thin materials allows engineering of the barrier between plasmonic nanostructures and conventional semiconductors interfaces, which could potentially be used to modulate the injection efficiency of hot electrons (photovoltaic device). Based on this, in this project, we will build two device architectures mentioned above. Firstly, we will study hot electrons transfer between 2D materials and plasmonic nanostructures, as well as the changes of properties of 2D materials after interaction. Then we will also modulate the hot electron interaction between these two materials by manipulating 2D materials using different approaches, in order to optimize the injection process for viable technological applications. Finally, the photoresponse of optoelectronic devices will be studied. The results obtained in this project will contribute to the future development of high efficiency optoelectronic devices based on hot electrons injection effect. Finally, the study of the interaction between plasmonic nanostructures and 2D materials is also of great scientific importance.

表面等离激元弛豫产生的热电子能够跨越金属-半导体界面的肖特基势垒，而进入半导体材料中产生光电流，从而拓宽半导体器件的波长探测范围。然而对于实际的应用需求，热电子的产生及转移效率仍然过低。二维材料作为近年来新兴起的半导体材料，具有迁移率高，厚度极薄以及功函数可调等特点。一方面，将其与等离激元纳米结构复合，能进一步拓展用于热电子光探测的材料体系。另一方面，其功函数可调的特性利于等离激元纳米结构与传统半导体间的势垒调控，进而实现对热电子转移效率的调控。基于此，本项目将首先研究二维材料与等离激元纳米结构间的热电子转移所导致的二维材料性能变化，并利用系列手段调控二维材料以实现二者间热电子耦合强度的调控，最终达到实际可行的应用。最后测试并优化器件的光电性能。项目的研究成果对于未来设计更成熟的等离激元热电子光电器件具有重要的指导作用，同时对于等离激元纳米结构与二维材料间热电子转移研究也极具科学研究价值。

利用表面等离激元热电子注入效应是目前突破常规半导体光探测器波长探测极限的一种有效方案。但是由于材料界面肖特基势垒过大，热电子转移效率不高导致半导体光探测器目前的工作波段大多都在小于2 μm的范围内，且探测效率仍有待提升。本项目一方面将二维材料与等离激元纳米结构相结合构建光电导型器件，充分利用其高载流子迁移率等特性，并有望通过掺杂、应力、表面改性等手段，增强纳米结构热电子与二维材料间的电荷转移。另一方面，将二维材料引入基于传统半导体材料的光伏型等离激元热电子器件结构中，充分利用其易集成，功函数可调以及态密度低等特点，有望能有效调节纳米结构与半导体材料间的接触势垒。简而言之，通过引入二维材料以及系列调控，拓宽等离激元热电子器件的响应波段，并提升探测效率。具体来讲，本项目通过CVD法及机械剥离法制备了高质量二维材料，同时利用热蒸镀法和电子束刻蚀技术制备并调控了金属等离激元纳米结构；其次，利用真空热处理，气体等离子体等手段，对二维材料进行了不同程度的缺陷修复和引入，从而有效地调控了二维材料的光学和电学性质。尤其，利用真空热退火方式显著地增强了氧化石墨烯薄膜的光学对比度，并提出了一种基于热增强光学对比度，快速、准确和大规模化判定氧化石墨烯层数的方法。理论模拟了等离激元纳米结构光学性质，与预期实验设计吻合；探究了金纳米颗粒对二硫化钼拉曼光谱和光致发光性质的影响，实现了高达~40倍的荧光增强。同时，利用原始和终端氢化CVD石墨烯薄膜与金纳米颗粒杂化，有效地调控了金纳米颗粒的等离激元共振吸收峰和电磁场强度，并结合石墨烯自身的荧光猝灭效应和纳米颗粒等离激元电磁场增强效应，实现了对荧光分子发光强度从增强（~4.0倍）到猝灭（~7.6倍）的大范围调控；最后，成功制备了金光栅纳米结构/石墨烯/硅的光伏型结构器件，并测试了其电学性质与光电响应特性。项目研究成果对未来设计更成熟的等离激元热电子器件具有很好的指导作用。