【摘要】：納米材料因其具有獨(dú)特而優(yōu)質(zhì)的光學(xué)和電學(xué)性能,在光電探測、光伏產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)療器械等領(lǐng)域中表現(xiàn)出重要而廣泛的應(yīng)用價(jià)值和前景。其中,硅是工業(yè)生產(chǎn)中備受青睞、應(yīng)用最廣的具有眾多優(yōu)越光電性能的半導(dǎo)體材料。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,硅納米絨面具有較大的比表面積,能夠有效地促進(jìn)寬頻譜范圍內(nèi)對(duì)入射光的高吸收和理想減反效果。優(yōu)越的光學(xué)吸收性能為高效地激發(fā)光生載流子提供了重要的基礎(chǔ),對(duì)光能到電能、光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。目前,硅納米絨面材料主要普遍用于太陽能電池領(lǐng)域,對(duì)其在光電探測器件方面的性能研究也具有重要意義。因此,本文在這一基礎(chǔ)上,結(jié)合金屬納米顆粒的局域表面等離激元共振性質(zhì),對(duì)金屬-硅基納米絨面結(jié)構(gòu)中光生載流子的產(chǎn)生、分離和遷移機(jī)制展開研究,重點(diǎn)挖掘硅基納米絨面材料基于側(cè)向光伏效應(yīng)在位置靈敏探測器領(lǐng)域的應(yīng)用前景。具體研究內(nèi)容如下:1、在銅納米顆粒覆蓋的硅納米金字塔絨面上,分別在3 mm和1 mm線性范圍內(nèi)獲得了靈敏度高達(dá)74.0 mV/mm和157.9 mV/mm的位置靈敏側(cè)向光伏效應(yīng)。利用銀納米顆粒的掩膜作用,通過堿溶液對(duì)硅基底各向異性腐蝕,制備了尺寸隨機(jī)、位置分布非周期性的硅納米金字塔絨面。這種全溶液的制備方法相比光刻法成本更低,工藝更簡單,為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。納米金字塔獨(dú)特的表面形貌和隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)有效地提高了表面積,為銅納米顆粒提供了較大的附著面。銅納米顆粒與硅納米金字塔絨面的結(jié)合極大地增進(jìn)了減反和陷光效果,在405 nm到780 nm寬頻譜范圍內(nèi)均有顯著的光電響應(yīng)。2、提出了基于局域表面等離激元的高性能側(cè)向光伏效應(yīng)機(jī)制�；诶碚摲治龊蛯�(shí)驗(yàn)探索發(fā)現(xiàn),通過納米線絨面對(duì)硅表面形貌進(jìn)行修飾以及利用貴金屬銀納米顆粒激發(fā)局域表面等離激元是兩種促進(jìn)光吸收和光生載流子產(chǎn)生的有效方法。采用金屬輔助化學(xué)刻蝕的方法在晶體硅表面制備了納米線陣列結(jié)構(gòu),用磁控濺射法在其表面沉積銀納米顆粒,這種制備方法簡單,成本低廉,可重復(fù)性高,而且樣品具有較好的均勻性,從可見光到近紅外波段均具有良好的減反效果,并且能夠激發(fā)強(qiáng)烈的局域表面等離激元。此種銀/硅納米線結(jié)構(gòu),在光譜學(xué)上,作為活性基底應(yīng)用于檢測低濃度(10~(-8) _M)羅丹明6G獲得了十分明顯的表面增強(qiáng)拉曼信號(hào);在光電性能上,較之傳統(tǒng)的銀薄膜/硅材料,實(shí)驗(yàn)上獲得了靈敏度增強(qiáng)多達(dá)53倍的側(cè)向光伏效應(yīng)(65.35 mV/mm)。在405 nm到980 nm寬波段范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了線性度高、靈敏度強(qiáng)的光電響應(yīng),對(duì)可見光到近紅外范圍位置靈敏探測技術(shù)有非常重要的意義。3、本論文還介紹了在均勻光照下的納米金屬/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的表面非等勢效應(yīng)。眾所周知,即便是在外加的電場作用下,金屬材料在通常情況下總是等勢體。然而,在均勻光照條件下,在納米鈦/硅材料的金屬表面上卻獲得了最高達(dá)53 mV的表面電勢差。在低維結(jié)構(gòu)的納米金屬中,電子傳輸受到一定限制,因而產(chǎn)生不同于塊體材料的電子擴(kuò)散模型,從而在樣品表面形成了中間高周圍低的非等勢面�；趯�(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析,論文進(jìn)一步研究了表面光電壓與樣品宏觀尺寸以及鈦納米層厚度的關(guān)聯(lián)性,得出了最佳金屬層厚度與樣品尺寸的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,并且對(duì)光照功率的影響進(jìn)行了討論。在此項(xiàng)工作中,建立了低維結(jié)構(gòu)中的電子擴(kuò)散模型,從物理機(jī)制上剖析了在金屬表面產(chǎn)生光電壓的原因。表面光電壓的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了納米金屬半導(dǎo)體材料的應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

圖 1-1 (a) 金屬銀和空氣界面上的 SPP 色散曲線，虛線為光錐線，點(diǎn)線為 SPP 共振頻率。（b）金屬電介質(zhì)界面 SPP 的極化電荷和電場示意圖[26]。Figure1-1 (a) Dispersion relations of SPP. (b) Schematic of the SPP along the metal-dielectric interface,including the distribution of polarization charges and electric field.局域表面等離激元目前主要是在貴金屬納米顆粒中發(fā)現(xiàn)較多，比如金、銀和鉑等米尺度的粒子。當(dāng)光波入射到尺寸大小與之可比擬的金屬納米顆粒上時(shí)，在入射光電頻率與金屬電子振動(dòng)頻率匹配的情況下，金屬對(duì)光會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的吸收作用，同時(shí)在面形成局域在其附近的表面等離激元，如圖 1-2 所示。金屬納米結(jié)構(gòu)的 LSP 特性與其分、形狀、尺寸、周圍介質(zhì)等參數(shù)有關(guān)[29]。由于相比塊體材料而言金屬納米顆粒具有當(dāng)大的比表面積，，因此其對(duì)光的吸收、散射等性質(zhì)會(huì)由于受到 LSP 的影響而有所不同

空氣界面上的 SPP 色散曲線，虛線為光錐線，點(diǎn)線為屬電介質(zhì)界面 SPP 的極化電荷和電場示意圖[26]。ion relations of SPP. (b) Schematic of the SPP along the mluding the distribution of polarization charges and electric 元目前主要是在貴金屬納米顆粒中發(fā)現(xiàn)較多，波入射到尺寸大小與之可比擬的金屬納米顆粒動(dòng)頻率匹配的情況下，金屬對(duì)光會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的近的表面等離激元，如圖 1-2 所示。金屬納米結(jié)構(gòu)圍介質(zhì)等參數(shù)有關(guān)[29]。由于相比塊體材料而言因此其對(duì)光的吸收、散射等性質(zhì)會(huì)由于受到 LSP
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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8 李e

本文編號(hào)：2659040