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Nano Res.[催化]│中国科学院金属研究所侯鹏翔、刘畅研究员团队：利用铜等离子激元共振突破硅基近红外光电探测器性能

作者：Nano Research 2024-05-20

本篇文章版权为赵毅明所有，未经授权禁止转载。

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背景介绍

单壁碳纳米管（SWCNT）/Si异质结光电探测器因其高光响应、低功耗、结构简单等优点，引起了人们的广泛关注。然而，由于Si本征带隙（1.12 eV）的限制，当激光波长超过1100 nm时，SWCNT/Si异质结光电探测器的光响应显著降低，这极大地限制了其在近红外波段的应用。

成果简介

中国科学院金属研究所侯鹏翔、刘畅研究团队利用廉价铜纳米粒子的等离子激元共振效应，设计、开发了一种在红外波段具有超高光响应的SWCNT/Cu/Si异质结光电探测器；其光响应可达SWCNT/Si光电探测器的约20000倍。在1850–1200 nm波长下，SWCNT/Cu/Si光电探测器的R值为2.2–14.15 mA/W，性能优于已报道的等离子体增强n-Si光电探测器。

图文导读

图1SWCNT/Cu/Si光电探测器的制备过程

SWCNT/Cu/Si光电探测器的制备过程如图1(a)所示，用HF溶液在覆盖300 nm厚SiO_x层的n-Si（100）晶圆上刻蚀一个9 mm²的窗口区域；利用磁控溅射在窗口内的n-Si上表面沉积Cu纳米颗粒（图1(b)与1(c)）；再将SWCNT薄膜压印转移到窗口上（图1(d)）；最后，在窗口周围涂银浆作为上电极，在n-Si背面沉积In/Ga合金作为背电极。

图2 (a) FDTD模拟Cu/Si纳米结构中的电磁场分布和强度。SWCNT/Cu/Si光电探测器的（b）光电流形成机理和（c）能带结构图

时域有限差分（FDTD）模拟结果表明（图2(a)），在1550 nm激光照射下，Cu/n-Si界面产生强电磁场，说明界面处存在强的表面等离子共振（图2(b)）。从能带图可以发现，当光电探测器被激光照射时，光电流的产生遵循三步过程：I）热载流子的产生，入射激光与 Cu 表面自由电子发生等离子激元共振，强烈吸收光子，产生热载流子；II）热载流子输运，在内建电场的驱动下，电子向 Cu/Si 界面扩散，空穴向 SWCNT/Cu 界面扩散；III）热载流子发射，高能电子越过肖特基势垒（Φ_SB）注入 Si 中，同时空穴注入 SWCNT中，形成光电流。

图3 (a) SWCNT/Cu/Si光电探测器的响应度与已有文献报道的比较。(b) 不同激光波长下的N值 (R_{with Cu}/R_{without Cu})。SWCNT/Cu /Si异质结光电探测器的（c）响应和回复时间以及（d）循环性能

所构建SWCNT/Cu/Si光电探测器的R值在1850-1200 nm波段为2.2-14.15 mA/W(图3(a))，在零偏压条件下是已报道基于表面等离子共振增强n-Si光电探测器性能的最优值。比较有无Cu纳米颗粒条件下的R值（图3(b)），可见光电响应性能可提升20000倍以上。SWCNT/Cu/Si光电探测器的瞬时光响应测试表明（图3(c)），其具有快速响应的能力，响应时间为19 ms，恢复时间为10 ms。经100次循环测试后（图3(d)），光电探测器的光电流基本保持不变，表明其具有良好的光响应稳定性。

作者简介

通讯作者：刘畅，中国科学院金属研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，主要从事碳纳米管的制备、性能与应用探索研究。已发表SCI收录论文200余篇，被SCI引用20000余次；获得发明专利授权60余项。

通讯作者：侯鹏翔，中国科学院金属研究所研究员，博士生导师，主要从事单壁碳纳米管及其薄膜、纤维的制备与应用研究。已在Nature Communications、Science Advances等期刊上发表SCI收录论文130余篇，他引10000余次，H因子为46；授权发明专利60余项。

第一作者：赵毅明，中国科学院金属研究所博士生，主要从事SWCNT/Si基光电探测器的构建与性能研究。

文章信息

Zhao Y-M, Hu X-G, Chen C, et al. Plasmon-enhanced ultra-high photoresponse of single-wall carbon nanotube/copper/silicon near-infrared photodetectors. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6612-7.

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