Advanced Functional Materials:基于等离激元共振效应的准有序纳米森林及其光探测应用

太阳能被认为是一种可再生、免费、清洁和广泛可用的能源,宽光谱高吸收结构体可以高效率地利用太阳能。近年来,探索在宽光谱范围内具有高吸收系数的材料或结构引起了广泛关注。基于等离激元效应的光吸收材料与结构因其在特定范围内超高的吸收率以及超强的光-电、光-热转化能力而受到广泛关注。但是,可激发等离激元效应的传统结构其高吸收波段的带宽一般较窄,大大降低了对光的利用效率,限制了结构的应用。另外,传统制备等离激元结构的工艺一般较为复杂,常需依赖尖端设备,这也进一步限制了它们与微器件的大规模集成应用。

中国科学院微电子研究所毛海央研究员课题组与中国科学院长春光机所李绍娟研究员课题组、中北大学熊继军教授课题组合作,创新性地利用银纳米颗粒包裹的准有序纳米森林结构 (Ag-QNF) 来实现多重杂化等离激元效应,得到了宽光谱 (300 nm-2500 nm) 范围内的高吸收,且所设计的结构对光的偏振和入射角度不敏感。这种结构制备简单,又具有良好的工艺兼容性,可原位集成在 MEMS 热电堆传感器上,实现宽谱光探测,并显著提升了器件光热电响应。

本文亮点

  1. 利用在聚酰亚胺 (PI) 中添加硅烷偶联剂 (SCA) 并使用等离子体轰击的方法,通过简单的工艺流程制备了准有序纳米森林结构。
  2. 利用银纳米颗粒包裹的准有序纳米森林结构 (Ag-QNF) 实现了多重杂化等离激元效应,得到了宽光谱 (300 nm-2500 nm) 范围内超过 90% 的吸收率。
  3. 将结构原位集成于 MEMS 热电堆传感器上,相比于原来的热电堆器件,实现了 433% 的输出电压提升。
  4. 工艺简单,兼容性好,可以批量生产,有望在更多的光电器件中应用。

图文导读

图1 (a) 包裹银纳米颗粒的准有序纳米森林结构 (Ag-QNF) 制备工艺流程;(b) Ag-QNF的晶圆级制备结果;(c-e) Ag-QNF结构的SEM图。

图2 使用等离子体轰击添加了硅烷偶联剂 (SCA) 的聚酰亚胺 (PI) 以制备 QNF 的过程,以及 QNF 的形成机制:(a) 添加了 SCA 的 PI 旋涂;(b) 点状纳米结构的形成;(c) 微小纳米线结构的出现;(d) 高度增加的直立纳米森林。

图3. (a) Ag-QNF 吸收体、QNF 吸收体和原始 Al-SiO2 衬底的吸收光谱;(b-c)不同吸收波长下电场 |E| 的分布:(b) 1200 nm,(c) 850 nm;(d-e) 不同吸收波长下 SiO2 层上 Ag 纳米颗粒的电场 |E| 分布:(d) 1200 nm,(e) 850 nm;(f) Ag-QNF 吸收体的光吸收机制:实际制备的结构在微观尺寸上难以保证完全的均匀性,导致实际结构参数产生微小差异,而这些不同尺寸、不同间隙银纳米颗粒的局域等离激元共振、不同间隔纳米纤维间的腔共振以及纳米纤维内部的波导模式共振分别在不同波长位置共同存在,因此,不同波长的吸收峰也相互叠加,最终使结构具备了宽谱高吸收的光学特性。

图4. (a) 图展示 Ag-QNF 吸收体在宽谱范围内的偏振不敏感性;(b) 图为不同偏振角下吸收特性的模拟结果。这里, 0° 极化角代表 TM 极化,90° 极化角代表 TE 极化。(c) 图展示入射角度对光吸收特性的影响;(d) 图为不同入射角下吸收特性的模拟结果。Ag-QNF 吸收体的结构在 X-Y 平面上具有准对称性,所以其对入射光的偏振性不敏感。

图5. Ag-QNF 吸收体与 MEMS 热电堆传感器的原位集成。(a) 图展示吸收区原位集成 Ag-QNF 吸收体的 MEMS 热电堆传感器结构;(b) 图为原始热电堆 (S1) 和集成 Ag-QNF 吸收体后的热电堆 (S3) 照片。利用等离激元的光热效应,吸收体能够将所吸收的光转化为热,并传导到热电堆传感器的热端,在器件冷端和热端间形成温度差,使传感器有电压输出。(c) 图为集成前后热电堆器件在不同功率密度光作用下的光致电压;(d) 图为集成前后热电堆器件在同功率不同波长下的输出电压对比。

作者简介

【第一作者】李茂,中国科学院微电子研究所硕士研究生

【通讯作者】毛海央,中国科学院微电子研究所研究员

【通讯作者】李绍娟,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员

【通讯作者】熊继军,中北大学教授

文献信息

Quasi-ordered nanoforests with hybrid plasmon resonances for broadband absorption and photodetection

Mao Li, Meng Shi, Bin Wang, Chenchen Zhang, Shuai Yang, Yudong Yang, Na Zhou, Xin Guo, Dapeng Chen, Shaojuan Li, Haiyang Mao, Jijun Xiong

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.202102840

链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202102840