硅纳米晶体的局域表面等离子体激元的尺寸效应

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          具有纳米尺度的晶体(即纳米晶体)中的自由载流子与光的电磁场的共振作用被称为局域表面等离子体激元共振(LSPR)。在古时候,人们就已经开始利用贵金属纳米晶体如金纳米晶体的LSPR效应所产生的光吸收使诸如教堂玻璃等物品呈现出五彩斑斓的颜色。然而,直到近年来科学家们才发现LSPR效应也存在于半导体纳米晶体中,尤其是经典半导体硅的纳米晶体中。这一发现使人们对等离子体激元学与电子学的集成产生了极大的兴趣。

        超级掺杂是实现硅纳米晶体的LSPR效应的主要手段。通过控制掺杂浓度可以调节硅纳米晶体的LSPR能量。尽管目前已有研究表明,本征硅纳米晶体的特性显著依赖于其尺寸大小,然而尺寸效应对超级掺杂硅纳米晶体的LSPR性能的影响尚无实验研究。近期浙江大学硅材料国家重点实验室和材料科学与工程学系皮孝东教授、杨德仁教授与日本东京工业大学和法国国家科研中心研究人员组成的国际团队系统研究了尺寸效应对超级硼掺杂的硅纳米晶体的LSPR性能的影响。

        研究发现,在一定的掺杂浓度和尺寸范围内,超级硼掺杂的硅纳米晶体的LSPR能量能够被有效调控。随着硅纳米晶体尺寸的减小,量子限域效应以及由其引起的硅纳米晶体介电常数的减小会使LSPR能量产生蓝移。而对于非常小的硅纳米晶体(如2.4纳米),其表面的载流子散射会淬灭LSPR。该国际研究团队的皮孝东教授指出,他们的研究结果对利用尺寸调控这一手段推动基于超级掺杂硅纳米晶体的新型等离子体激元结构和器件的发展具有重要的意义。该工作发表在Advanced Optical Materials上(DOI: 10.1002/adom.201500706)。

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        另外,该国际研究团队还发现超级硼掺杂会减小硅纳米晶体的晶面间距并引起晶格畸变。这种硅纳米晶体结构的变化可以部分解释为什么有相当多的所掺的硼原子没有被激活以产生自由载流子这一事实。对于不同尺寸的硅纳米晶体,研究人员今后需要努力提高掺杂原子的激活效率,进而增强硅纳米晶体的LSPR性能的可调控性。

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