微米和纳米科技材料

纳米结构半导体成为光的超吸收体

利用“纳米压印光刻技术”,可以使得半导体锗的纳米结构薄层极大地提高其在可见光到近红外波长范围的光吸收量。宽带吸收来自于布鲁斯特和材料中光子晶体模式之间的强相互作用,并且这一效应可以极大的促进光伏和通信等光电工程的发展。

纳米结构半导体成为光的超吸收体

如图所示:左图为光子结构的SEM显微照片。插图表示的是在金属衬底上,Ge光子结构体系的方案。右图为Ge元素表面(黑色曲线)和没有抗反射涂层(红色曲线)的吸收相比,在金基底上对锗的吸收为70nm。 图片来源:A Mihi

设计可吸收范围波长的光的超薄半导体材料,对于改进光电子器件,使之能够更有效地将光转换为活性电子是至关重要的。实现这一目标的一种方法是增加半导体层的厚度,以便它能在整个光谱中捕捉到最大的光子数。

西班牙巴塞罗那材料研究所的研究人员采取了一种不同的方法,即采用不同的光陷阱策略,这样就能够在减少半导体量的同时,仍能够强烈得吸收光线。在他们研究的光子元结构中,入射光与不同类型的光共振模式相耦合:布鲁斯特和混合光子 – 等离子体共振模式。正是这些共振负责将光场集中在小体积内,并使材料吸收可见光到近红外范围(400-1500nm)。

锗与光相互作用

科研小组组长Agustin Mihi解释说:布鲁斯特模式是一种光子模式,其中没有从表面反射出来的光。由于半导体的高折射率以及贵金属在可见光部分的非理想行为,在我们的研究中使用的一层薄的半导体在贵金属基底上以维持这种类型的模式光谱。在这种模式下,光在由其厚度决定的波长处被强烈地限制在薄膜中。

“由于我们的样品中锗(Ge)薄膜的纳米结构,光可以与两种有效的锗厚度产生相互作用:一种是布鲁斯特模式,而另一种是等离子体 – 光子模式。

纳米结构半导体成为光的超吸收体

如图所示:研究小组人员由左至右分别为:Miquel Garriga,Juan LuisGarcía-Pomar,Pau Molet,Isabel Alonso,AgustínMihi和Cristiano Matricardi。 图片来源:ICMAB

研究人员构建的基础结构包括一个使用软光刻技术构建在金膜上的圆柱形孔的二维方形阵列,这种可扩展的技术具有与大规模生产工艺(如轧辊)相适应的优点。

超曲面的光子共振现象

Mihi说:“通过单独的光子共振来实现宽带光吸收是非常具有挑战性的,因为每个共振放大的光吸收仅在特定的波长范围内起作用。在我们的实验中,我们制造了一个从近红外到可见光都呈现出一系列光子共振的变换表面,增加了Ge层在其电子带隙之上的所有能量的光吸收。

实际上,宽带吸收来自于Ge层整个吸收光谱中不同共振的同时激发。Mihi说, “在可见光下,我们的光子结构维持了一个广泛的法布里 – 珀罗(Fabry Perot)共振,如上所述,通过与布鲁斯特模式耦合,这种共振得到了增强。在近红外中,有多个吸收峰来自于在金属基底上制备的光子晶体中激发的等离子体 – 光子模式。

光伏与通信领域的应用

他补充说:“光子晶体提供了在超薄Ge薄膜平面方向上耦合光的方法,使其能够限制长波长(高达1400nm)的光子。我们还精心设计了这个表面,将这种光耦合到慢光模式,这种模式结合了光子晶体和等离子体效应,产生强烈的吸收峰。

如此强大的宽带吸收对于制造更高效的光伏器件可能是有用的,特别是近红外吸收(在重要的电信窗口达到100%)可以使诸如光电探测器的应用受益。

该科研团队已将这一科研成果发表在了《Advanced Materials 》杂志上,他们现在正忙于使用其纳米结构的Ge来设计不同的光电器件。“其中包括第三代太阳能电池(基于钙钛矿材料)。他们希望可以有效的提高效率,使这一新技术与现有的硅技术竞争。“

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