超薄高介电半导体共振结构的宽波段完美光吸收效应研究

Semiconductor resonators with broadband light absorption are with wide potential applications in the fields such as the optoelectronic functional materials and technology. It is one of the hot areas for the domestic and foreign researchers about the way to build the perfect light absorbers based on the semiconductor materials for efficient photoelectric response. In this project, we are planning to utilize the ultra-thin high-permittivity semiconductor materials and the combined metallic resonators for realizing the broadband perfect light absorption and its further applications in the optoelectronic materials. The main contents include: 1) to study on the electrical and magnetic resonant features for the high-permittivity semiconductor micro/nano-structures; 2) to design and demonstrate the photonic resonances and the plasmonic modes and their hybrid coupling effects for the cooperative structure of the high-permittivity semiconductor and high-conductivity metal materials; 3) to amend and improve the structural model, and finally realize the consistancy from matter to physics, master the intrinsic physical mechanism of the perfect light absorption by the ultra-thin semiconductor resonators and do further exploration for the potential applications on the photoelectric detection, solar energy, the hot electrons and so on.

具有宽波段光吸收响应的半导体共振结构在光电功能材料与技术等领域中拥有非常广阔的应用前景，如何构建基于半导体材料且有益于实现高效光电响应的完美光吸收器共振结构是国内外研究者关注的热点之一。本项目拟采用超薄高介电半导体材料，结合金属共振单元，实现宽波段完美光吸收，进而探索其在光电功能材料领域的应用。具体涉及以下研究内容：1)，研究高介电半导体微纳结构的电磁共振特性；2)，设计和分析高介电半导体与高电导金属材料复合结构的光学共振和等离激元共振模式及其杂化耦合方式；3)，修正和完善结构的理论模型，实现“由物及理”的一致性，掌握此类超薄半导体共振结构产生完美光吸收响应的内在物理机制，进一步探索其在光电探测、能源与热电子等领域的潜在应用。

超薄高介电半导体微结构的高效光吸收在光电功能器件特别是太阳能光伏、光电探测等诸多前沿科技领域具有非常重要的物理意义。然而，如何实现在超薄的结构维度的基础上产生近乎完美的光吸收响应则一直是业内的一个难点。本项目围绕该问题开展了一系列的探索工作。具体涉及：1，基于常见半导体谐振单元的微结构开展的宽波段光吸收研究，通过采用谐振单元的二聚体模式，设计和实现了具有完美光吸收响应的金属-半导体复合体系，并深入分析，获得了具备准定量调控吸收波长或频率的技术方法；2，开展了以新型等离激元共振材料--耐火材料为基础的，金属-半导体复合共振体系，获得了覆盖更宽波段的超宽带完美光吸收器，并进一步探索了采用不同半导体材料进行组合，构建基本覆盖太阳能主要能量区域的吸收器模型；3，开展了基于吸收器的光热效应研究，探索了易于空间调控光吸收与光热激发与分布调控的新技术模型。项目研究取得了3种以上的常规半导体材料的吸收器模型，掌握了内在的物理机制，特别是进一步挖掘出具备准定量调控工作波长的技术手段和物理机制，这些研究发现不仅达到了项目的预期目标，而且极大地拓展了项目的研究层面，取得了一系列意料之外的研究成果，为后续开展面向功能器件开发以及技术进一步革新的研究工作奠定了坚实的基础。