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等离激元光电探测 | 热载流子动力学设计

2021-04-23 08:05

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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撰稿 | 朱奕松（电子科技大学，博士生）

说明 | 本文是由论文作者投稿

表面等离激元是一种金属中自由电子受外界电磁波刺激所产生的集体振荡现象，同时，导致了一系列新颖的光学特性，如局域的电磁场增强、亚波长的电磁波束缚等。

根据等离激元的衰变形式，可以分为辐射型衰变以及非辐射衰变。

然而，等离激元的非辐射衰变往往被认为是一种不希望存在的寄生过程，在光子器件工作过程中会产生不必要的损耗。为了抑制其非辐射衰变，研究人员提出了多种改进法案，如用重掺杂硅取代传统金属材料等。然而，在近期的研究中发现等离激元中的损耗可被应用于光热转换、表面成像、光催化以及光电探测等。

在非辐射衰变过程中，金属吸收光子会产生高能、非平衡的“热”电子-空穴对——热载流子()。金属纳米结构中的热载流子可以越过肖特基势垒()注入半导体导带之中，从而实现有效的能量转换，被广泛应用于光催化以及光电探测。

由于肖特基势垒高度往往低于半导体的本征带隙，基于热载流子的光电探测器可以实现额外的带隙响应，突破带隙限制。此外，相比起常规的商业化探测器，热载流子探测器具有高灵敏度、超快响应速度、近红外探测、可常温工作、响应带宽偏振可调、优异的CMOS兼容性等诸多优势。

然而，由于其较差的光吸收，宽泛的热载流子能量分布，载流子动量各向同性，热载流子探测器的量子效率依然不高，这大大限制了其实际的应用。

表面等离激元可以有效地增强其光吸收，调节热载流子的能量以及动量的分布，这为热载流子探测器带来了全新的机遇。

图1. 艺术图效果：热载流子

近期，电子科技大学基础与前沿研究院王志明教授团队在期刊 Applied Physics Reviews 上发表了题目为 Engineering plasmonic hot carrier dynamics toward efficient photodetection 的综述。文章被期刊选为Featured article。

该篇综述介绍了:

设计等离激元热载流子动力学过程;

优化光电探测性能的方法（包括热载流子产生、传输与提取过程）;

纳米光子集成热载流子探测器的最新研究进展;

等离激元热空穴探测器的最新研究进展;

未来实现高效热载流子探测器的研究方向。

一、等离激元热载流子动力学过程设计

如图2a所示，等离激元衰变机制可以分为辐射衰变以及非辐射衰变过程，入射光照射会重新发射出新的光子（辐射衰变）或者产生高能的、非热化载流子（非辐射衰变）。在受光激发后，热载流子将经历朗道阻尼、载流子驰豫与热化等动力学过程。只有当热载流子发生热化之前，被邻近的半导体收集才能有效地实现光电转换。

图2. 等离激元衰变机制以及

金属颗粒中热载流子的动力学过程

根据热载流子的类型，可以分为热电子与热空穴型光电探测器。

以热电子探测器为例，载流子只有经历了产生、传输至金属/半导体界面、越过肖特基势垒、被外电路所提取才能最终实现热载流子响应（图3）。

图3. 实现热载流子响应所要经历四个阶段（图3）

a. 等离激元促进热载流子的产生

等离激元热载流子的产量决定着最终光响应的上限值。表面等离激元极强的光与物质相互作用不仅促进了热载流子的产生，同时，也控制了其能量的分布态。

图2b描述了局与等离激元促使光吸收转换为热载流子以及其不同时间段下的能量分布变化。在吸收光子之后，电子从低能态跃迁至更高的能量水平，相应的原来位置处出现一个空穴位。因此，每当吸收一个光子，就有能力可以产生一个热电子-空穴对。

有效的增强光吸收将是提高热载流子产量的重要途径，同时，所产生的热载流子能量分布却可以通过纳米结构的形状、等离激元模式以及电子结构共同调控。为了进一步的提高探测效率，一系列的等离激元超材料吸收器已经被用于增强热载流子探测器的光电响应。

b、抑制热载流子的传输损耗

只有在热化之前，热载流子传输至金属与半导体界面处才有概率注入半导体从而实现光电转换。然而，在传输过程中，热载流子受到电子-电子散射以及电子-声子散射的影响，其传输损耗往往受金属中电子平均自由程()所影响。

在一些超薄金属结构中（远小于电子平均自由程），热载流子可以发生多次载流子反射，从而进一步促进热载流子的有效传输传输。热载流子越过肖特基势垒转移至半导体中，也可以认为是传输过程的一部分。

在最近的研究中，表面等离激元可以促进界面载流子的跃迁（PICTT），该过程与常规的等离激元促进热电子转移（PHET）相比具有更高的转换效率，该机制具有更快的热载流子转移速度，同时，可以降低热载流子注入所需要满足的动量匹配条件，如图4。

图4. 热电子转移方式：

等离激元界面载流子的跃迁（PICTT）

等离激元促进热电子转移（PHET）

c、等离激元热载流子的有效提取

热载流子的能量与动量分布是实现热载流子高效提取的决定性因素。其过程往往通过Fowler模型进行描述，在块体金属中，热载流子的动量分布各项同性的，而仅仅只有部分位于动量锥中的热载流子具有注入半导体实现光电转换的潜力。通过几何效应，等离激元可有效地调控其热载流子动量分布，使得更多的热载流子具有位于动量锥中的动量。

此外，构筑一个三维全方位的肖特基势垒可以使得更多热载流子位于动量锥中，同时，增加了热载流子转移通道，大大增加了其量子效率（图5）。

图5. 一维与三维肖特基势垒界面及其热载流子发射锥分布

二、等离激元热电子探测器

根据热载流子的注入类型，可以分为热电子型或者热空穴型探测器。相比起热空穴型探测器，等离激元热电子探测器已经被广泛研究。

a、基于光学天线的热电子探测器

利用等离激元光学天线将自由空间光限制于亚波长尺度范围内，其金属纳米天线中的热电子能有效地注入进邻近的半导体中，从而实现有效的光电转换与探测。通过设计不同结构尺寸的纳米天线，等离激元热电子探测器可以实现特定波段的选择响应以及偏振敏感等特性。

b、平面型热电子探测器

虽然基于光学天线的热电子探测器具有诸多卓越的优势，但是为了构筑亚波长结构尺寸的纳米天线，这往往需要使用复杂且昂贵的加工工艺，如电子束曝光()与聚焦离子束刻蚀()等，这大大增加了其加工时间以及成本，并且无法做到大规模制备。然而，常规平面型热电子探测器由于其块体金属薄膜的光吸收能力弱，其量子产率往往十分的低。

利用塔姆等离激元或者法布罗腔体共振，可以在布拉格反射镜以及金属界面处产生一个很强的局域电场增强，大大提高金属的光学吸收，从而促进热电子的产生。此外，通过调节其布拉格反射镜的结构参数，可以得到所需波段响应。该类探测器往往具有窄带响应的特性，在超灵敏传感探测方面具有很高的应用价值。

最新的研究表明利用TiN也可以实现宽带的塔姆等离激元共振，从而获得超过200 nm带宽的响应。该类探测器在全方面多功能应用方面展现了巨大的潜力。

图6. 平面型热电子探测器

c、耦合低维纳米材料的热电子探测器

表面等离激元与低维纳米材料耦合也能实现有效地局域电场增强，从而大大增加光响应信号。由于低维材料独特的电学以及高比表面积等特性，该类材料可以作为优异的热电子受体。纳米线、量子点以及二维材料均被证实可应用于等离激元热电子探测器，且展现出一系列优异的特性，如柔性器件设计、巨大光增益效应、肖特势垒可调等。

d、功能型热电子探测器

结合表面等离激元所具有的一系列优异特性，如对光的选择性吸收和散射、局域电场增强以及亚波长电场束缚等，近些年来一些功能型等离激元热电子探测器也孕育而生。该类探测器往往能实现常规探测器难以实现的新功能。如圆偏光探测、纳米尺度表面成像以及波长测定等。此外，该综述还总结了等离激元热电子传感器、低压工作的紫外热电子探测器、等离激元调制的场效应晶体管以及红外成像应用。

三、纳米光子集成热载流子探测器

相比电子，光子具有超快的速度、超高的并行度、较大的带宽、较低的传输损耗等。为了突破其摩尔极限，纳米光子集成芯片也受到了更多的关注。基于等离激元热载流子的探测器依然在其中展现出独特的优势。由金-硅肖特基结形成的片上探测器具有很高的CMOS兼容特性，易于与其他硅基光子器件实现超紧凑的集成。传播型等离激元模式可在在金-半界面处产生很高的电场增强，可大大增强其热载流子的内激发效率。热载流子的超快驰豫与转移也让高灵敏、超快响应速度的探测成为了可能。

四、等离激元热空穴探测器

相比起高于费米能级的热电子，热空穴往往位于金属d带的上方低于费米能级。因此，更低的电子-电子散射与电子-声子散射概率使得热空穴在红外波段具有更高的电子平均自由程。由于其不同本征特性，等离激元热空穴探测器在响应率大小、暗电流以及探测率方面展现出了不同的特性。表1对比近些年各类热载流子探测器的各项性能指标。相比起热电子型探测器，热空穴探测器的研究依然不足。但其往往更低的肖特基势垒高度、更高的平均自由程，为克服当前热载流子探测器内量子效率低的问题提供了新的方案。

表1. 各类等离激元热载流子探测器性能对比

五、挑战与展望

尽管，目前等离激元热载流子探测器在理论和实验上都取得了不错的进展，但相比起商业化近红外探测器，其量子效率低依然是制约其发展的重要原因。为了进一步推进等离激元热载流子探测器的发展，需要从多个方面展开:

首先，等离激元热载流子动力学特性依然存在许多未知的领域，这需要对更多全新的理论与机制去解释等离激元热载流子的动力学过程。我们认为利用其量子理论在理解其动力学特性上起着至关重要的作用。超快光谱技术的发展也加快了等离激元热载流子动力学特性的研究进展。

其次、结合等离激元的优异特性，各类功能化的热载流子探测器将可以实现常规商用化探测器难以满足的功能，推进了探测器的超紧凑集成、小型化以及多功能化的进程。

此外，石墨烯、狄拉克半金属以及氧化铟锡作为可调控的等离激元材料，或将可以扩展等离激元热载流子探测器应用领域。

作为一种新型探测器，等离激元热载流子探测器依然存在很多值得探索核心科学问题。

文章信息

Yisong Zhu, Hongxing Xu, Peng Yu, Zhiming Wang. Engineering plasmonic hot carrier dynamics toward efficient photodetection[J]. Applied Physics Reviews, 2021, 8(2): 021305.

本文通讯单位是电子科技大学基础与前沿研究院、武汉大学物理科学与技术学院，第一作者是博士生朱奕松，通讯作者为王志明教授和余鹏博士，其他作者包括徐红星教授。

论文地址

https://doi.org/10.1063/5.0029050

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编辑 | 赵阳

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