金—硫化铅纳米结构中等离激元增强的光电特性及光探测应用

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随着纳米科学不断地发展,人类已经掌握许多纳米结构的合成方法,这些纳米结构与相应的块体材料相比能展现出许多独特的光电子学特性,如贵金属(金或银)纳米结构的表面等离激元,极大地引起了人们的研究兴趣。金属表面等离激元与半导体激子之间的耦合已被广泛运用于诸如太阳能电池,光探测器,光电化学电极等光电子器件中以提高器件的光电转换效率。近年来,大量的研究成果表明,金属纳米结构产生的局域表面等离激元共振可以增强金属附近的局域电磁场,邻近的半导体可以受益于这种场增益,导致半导体光吸收增强,进而产生更多的光生载流子,此外还有散射效应,热载流子转移和共振能量转移等机理,都对光电转换有贡献。在金属与半导体的混合纳米结构中,半导体对这种场增益的充分利用是提高器件光电转换效率的关键。在本文中,分别研究了基于硫化铅量子点掺杂金纳米棒和金-硫化铅核壳纳米棒的近红外光探测器,相对于单一硫化铅的光探测器,这两种光探测器实现了在近红外波段探测性能的提升。具体包括以下内容:1.研究了基于硫化铅量子点掺杂金纳米棒的近红外光探测器。当源漏电压和栅压为-4 V,功率密度为5 mW?cm-2的808 nm激光器激发时,此光探测器响应度达到8.2 A?W-1,探测率达到6.3?1010 Jones,量子效率达到1251%,分别是单一硫化铅量子点光探测器的1.7倍,1.3倍,1.6倍。2.研究了基于金-硫化铅核壳纳米棒的近红外光探测器。首先,通过光吸收谱发现随着壳层折射率的变大,纳米棒的局域表面等离激元共振峰位由可见光红移到了近红外波段。接着,通过有限时域差分法模拟了单个金-硫化铅核壳纳米棒在光照下的局域电场分布,结果表明其局域场增益可达22倍。最后,基于此纳米结构的光探测器,在源漏电压和栅压为-4 V,功率密度为5 mW?cm-2的808 nm激光器激发时,响应度达到18.5 A?W-1,探测率达到1.22?1011 Jones,量子效率达到2844%,分别是硫化铅光探测器的3.8倍,2.5倍,3.7倍。此外器件响应时间为0.32 s,0.256 s。这些研究成果表明,PbS中引入贵金属纳米结构,由于其表面等离激元,能够显著增强器件的光探测性能,因此在光电子学领域具有十分光明的应用前景。
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