极细间隙金属纳米阵列的可控制备及其等离激元光催化的机理研究

Plasmonic photocatalysis has attached much attentions for its wildly application in water splitting, air purification, clean energy and water treatment.It typically contains the combination of metal nanoparticles and semiconductors. The as induced Schottky junction and localized surface plasmon resonance (LSPR) have significant increased the photocatalytic efficiency. However, the chemical methods usually lack of controllability and in-situ characteristics abilities. In this project, we try to using the top-down nanofabrication method to construct the plasmonic photocatalysis system. By fabrication of sub-5nm metallic nanogaps, we used its LSPR and the contacting with semiconductor films to promote the catalytic efficiency, as the same while, the ultrafine nanogap array provides its utilization in plasmonic lithography. The project would not only helps us to have a further understanding of the mechanism of the plasmonic photocatalysis, but also provides an entire new application of this system.

等离激元光催化反应是光催化领域中重要的研究课题之一，它通过引入金属-半导体复合结构形成肖特基节提高了半导体颗粒中电子-空穴对的分离效率，同时利用局域等离激元共振显著增加了光催化反应的催化能力，在光解水、空气净化、洁净能源以及水污染处理方面具有广泛的应用前景，因而具有重要的研究意义。但传统的等离子体光催化体系通常来源于化学合成，其在可控的研究反应机理以及原位的表征反应过程中仍然存在着诸多困难。本项目拟通过微纳加工的手段制备实现小于5纳米的金属纳米间隙形成极强的局域等离激元共振，利用热电子发射实现等离激元光催化；同时在纳米间隙中填充半导体材料形成金属-半导体复合体系进行光催化反应的原理研究和原位表征，并将其应用于纳米催化光刻的领域。该项目的实施不仅为可控的研究等离激子体光催化反应中的原理和过程提供了新颖有效的手段，同时也拓展了光催化反应在微电子器件领域中的重要应用。

等离激元光催化反应通过引入金属-半导体复合结构形成内建电场提高了半导体中电子-空穴对的分离效率，同时利用局域等离激元共振显著提高了光催化反应的效率，在光解水、空气净化、洁净能源以及水污染处理方面具有广泛的应用前景，是当前能源和催化领域重要的研究课题。但是现有的等离激元光催化体系基本上通过化学合成制备，其在可控的研究反应机理以及原位的表征反应过程中仍然存在着诸多困难。本项目利用自上而下的技术却可以精确的调控等离激元光催化体系的构成和形貌，从而有效的研究光催化的机理和动力学过程，并且更加方便进一步的器件制备和实际应用。.本项目通过ALD技术和lift-off技术相结合可控的制备得到间隙小于5纳米的金属纳米间隙阵列，并详细研究了其作为SERS衬底和PL增强衬底时对局域等离激元的增强效果。该项目的实施不仅为可控的研究等离激子体光催化反应中的原理和过程提供了新颖有效的手段，同时也拓展了光催化反应在微电子器件领域中的重要应用。根据我们的研究，我们主要的发现包括以下内容：.（1）实现了间隔小于5纳米的金属纳米间隙阵列的自上而下制备，并且能够根据实验需求精准调控纳米间隙的宽度以及纳米间隙两边金属图案的尺寸、形貌和材质，从而调整整个等离激元光催化体系的工作波段。.（2）分别利用氧化石墨烯和4-ATP分子作为研究体系，研究了纯金属纳米间隙以及金属-半导体-金属异质结结构中等离激元光催化的反应机理和动力学过程，并通过调整体系的构架探寻了等离激元光催化反应的最优结构。.（3）通过和自组装技术相结合，有效的降低了自上而下技术制备等离激元光催化体系的成本，实现了环状金属纳米阵列的大通量可控制备，并研究了其对局域等立即的增强效果。.（4）通过水解转移的技术，成功将极窄间隔金属纳米间隙转移到二维材料表面形成洁净的金属-半导体接触，发展了一种高性能的光电传感器件。