近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所納米材料與納米結(jié)構(gòu)研究室研究員費廣濤課題組，在等離子增強(qiáng)寬波段光電探測器研究方面取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C上。

作為傳統(tǒng)的紅外材料，硫化鉛廣泛應(yīng)用于紅外探測領(lǐng)域。近年來，由于納米材料的量子尺寸局域效應(yīng)，納米型硫化鉛材料被廣泛研究并應(yīng)用于可見光探測器，表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。對薄膜硫化鉛探測器而言，目前其光電響應(yīng)仍不理想，需要進(jìn)一步提高薄膜硫化鉛探測器的響應(yīng)性能。

常見貴金屬納米材料如Au、Ag、Pt、Cu等，具有表面等離子共振特性，能夠在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場增強(qiáng)。這種等離子共振增強(qiáng)特性可以應(yīng)用于光活性器件中，如光發(fā)射二極管、太陽能電池、光電探測器、光催化系統(tǒng)等。相比于分布雜亂無序的貴金屬結(jié)構(gòu)來說，規(guī)整有序的金屬結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)其表面等離子共振效應(yīng)。具有有序排列的貴金屬結(jié)構(gòu)如金屬孔陣列、金屬天線陣列、金屬光柵結(jié)構(gòu)等可以通過調(diào)控其周期結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控其等離子共振頻率特性，進(jìn)而達(dá)到選擇性增強(qiáng)的目的。

基于以上研究現(xiàn)狀，費廣濤課題組碩士研究生謝秉合等采用化學(xué)浴沉積法制備出PbS薄膜，利用超薄雙通二氧化鈦多孔膜為模板構(gòu)筑有序Au陣列/PbS薄膜復(fù)合光電探測器。由于Au有序陣列的等離子共振增強(qiáng)效應(yīng)，復(fù)合薄膜光電探測器的響應(yīng)率相比于純PbS薄膜探測器得到125-175%的提高。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種增強(qiáng)表現(xiàn)出明顯的波長選擇性，當(dāng)改變金納米陣列的高度時，探測器響應(yīng)率的最強(qiáng)增強(qiáng)波長位置會發(fā)生變化，即隨著高度由30nm增加到120nm，最強(qiáng)增強(qiáng)峰位從可見光波段(450nm)逐漸紅移到近紅外波段(980nm)。該項工作將為等離子共振增強(qiáng)光電探測器研究和發(fā)展提供新的思路和途徑，并表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。

研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃課題和國家自然科學(xué)基金的資助。

圖1.金納米棒陣列修飾的硫化鉛薄膜的掃描示意圖

圖2.不同激光光照度下PbS薄膜(H=0nm)和不同高度Au納米棒(H=30、60、90、120nm)修飾的PbS薄膜的I-T曲線特性。入射光波長分別為(a)450nm；(b)532nm；(c)660nm；(d)980nm。光功率均為54.16 mW/cm²。

圖3.(a)有限時域差分模擬金納米棒(H=30、60、90、120nm)附近截面電場分布示意圖；(b)不同高度的Au納米棒(H=30、60、90、120nm)修飾的PbS薄膜的相對光電流增長與入射光波長的依賴關(guān)系。