半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中的金屬等離激元引起的熱電子注入研究

14000字 35頁(yè)


摘要：
在本文中，我主要進(jìn)行了等離激元載流子從光激發(fā)金屬納米晶體到半導(dǎo)體接觸面或表面分子過程中的產(chǎn)生和注入過程的理論研究。等離激元載流子在金屬半導(dǎo)體表面反應(yīng)的關(guān)鍵是它的頻率與入射光頻率相同。在此過程中形成的極化等離激元載流子將在金屬半導(dǎo)體界面處因?yàn)殡娮愚D(zhuǎn)移而形成的肖特基結(jié)中進(jìn)行相關(guān)反應(yīng)。通過理論分析表明：不同尺寸的光激發(fā)熱載流子在金屬半導(dǎo)體接觸面的分布是顯著不同的。在大體積的納米晶體中，大多數(shù)的熱載流子只具有很小的激發(fā)能，并且被激發(fā)的載流子分布類似于其在等離激元波中的分布。而尺寸小于20 nm的納米晶體中，載流子分布在能量更高的能級(jí)，并且占據(jù)了整個(gè)EF < ε < EF + ℏω能級(jí)區(qū)域。上述現(xiàn)象是由于納米晶體中的動(dòng)量不守恒所造成的。通過公式的相關(guān)推導(dǎo)我們可以得知：小體積的納米晶體最適合設(shè)計(jì)基于等離激元電子和空穴理論的光電和光伏器件。而對(duì)于常用的金納米晶體而言，具有超過勢(shì)壘能量的熱載流子有效產(chǎn)生的最佳光學(xué)尺寸是在10 nm到20 nm之間。除了尺寸的影響外，另一個(gè)很重要因素是激發(fā)光的偏振。為了高能級(jí)載流子的有效激發(fā)，電場(chǎng)極化矢量應(yīng)該垂直于納米線或納米板的幾何形狀。隨著研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)使用納米晶體立方體會(huì)產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。本理論的結(jié)果既可以用來設(shè)計(jì)純固態(tài)光電元件，也可以用來設(shè)計(jì)光催化和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 等離激元 熱載流子 金屬 半導(dǎo)體 注入
Theory of photoinjection of metal plasmon-induced hot electron into semiconductor nanostructures

Abstract: In this work, we theoretical study the plasmonic carriers injection at the interface of metal semiconductor contact or surface molecular. The theoretical analysis shows that: the excited-carrier distribution is significantly different for different sizes metal-semiconductor contact surfaces. To nanocrystals with large volume, most of the hot carriers own only a very small excitation energy, and the distribution of excited carriers is similar to its plasmon wave. While to the nanocrystals which size is less than 20 nm, the carrier distribution is at higher energy levels, and occupies the entire EF < ε < EF + ℏω lever area. The phenomenon is due to nanocrystals momentum is not conserved. According to the theoretical analysis, we can see that: based on plasmon theory of electrons and holes photovoltaic and photovoltaic devices are the most suitable design of small size nanocrystals. For conventional gold crystals, the best optical size exceeds the energy barrier effective to produce hot carriers is between 10 nm to 20 nm. In addition to the size effect, the polarization of the excitation light is also very important. In order to effectively stimulate the energy level of the carrier, the electric field is perpendicular to the polarization vector should prism-shaped nanowire or board. With the change of the prism geometry, we find that using the cube will produce unexpected results. The results of this theory can be used to design not only the pure solid state photovoltaic element but also the systems and solar photocatalysis.

Keyword: Plasmonic Hot Carries Metal Semiconductors Photoinjection

目錄


摘要： I
Abstract: II
第1章 等離激元 1
1.1 研究背景 1
1.2 表面等離激元及其性質(zhì)和局域表面等離激元共振 2
1.2.1 表面等離激元及其性質(zhì) 2
1.2.2 局域表面等離激元共振 2
第2章 載流子注入相關(guān)理論 3
2.1 引言 3
2．2 基本原理 4
2.3.1 等離激元波上的載流子分布 8
2.3.2 典型結(jié)構(gòu)中的等離激元熱載流子分布 9
2.3.3 兩種相關(guān)結(jié)構(gòu)上的等離激元波及其載流子分布 12
第3章 金屬和半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)表面的熱電子轉(zhuǎn)移研究 13
3.1等離激元納米結(jié)構(gòu)反應(yīng)中的幾個(gè)重要參數(shù) 13
3.1.1 吸收帶、 特殊傳遞動(dòng)量 13
3.1.2 金屬半導(dǎo)體表面中內(nèi)部電場(chǎng)的數(shù)值解 17
3.1.3 等離激元納米晶體注入載流子的速率 19
3.2 熱電子等離激元從金屬板到半導(dǎo)體接觸面的注入 20
結(jié)論 27
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29