等離激元光電探測|熱載流子動力學設計

　　近期，電子科技大學基礎與前沿研究院王志明教授團隊在期刊

　　Applied Physics Reviews

　　上發表了題目為

　　Engineering plasmonic hot carrier dynamics toward efficient photodetection

　　的綜述。文章被期刊選為Featured article。

　　該篇綜述介紹了:

　　1.設計等離激元熱載流子動力學過程；

　　2.優化光電探測性能的方法（包括熱載流子產生、傳輸與提取過程）；

　　3.納米光子集成熱載流子探測器的最新研究進展；

　　4.等離激元熱空穴探測器的最新研究進展；

　　5.未來實現高效熱載流子探測器的研究方向。

　　一、等離激元熱載流子動力學過程設計

　　如圖2a所示，等離激元衰變機制可以分為輻射衰變以及非輻射衰變過程，入射光照射會重新發射出新的光子（輻射衰變）或者產生高能的、非熱化載流子（非輻射衰變）。在受光激發后，熱載流子將經歷朗道阻尼、載流子馳豫與熱化等動力學過程。只有當熱載流子發生熱化之前，被鄰近的半導體收集才能有效地實現光電轉換。

　　根據熱載流子的類型，可以分為熱電子與熱空穴型光電探測器。

　　以熱電子探測器為例，載流子只有經歷了產生、傳輸至金屬/半導體界面、越過肖特基勢壘、被外電路所提取才能最終實現熱載流子響應（圖3）。

　　a. 等離激元促進熱載流子的產生

　　等離激元熱載流子的產量決定著最終光響應的上限值。表面等離激元極強的光與物質相互作用不僅促進了熱載流子的產生，同時，也控制了其能量的分布態。

　　圖2b描述了局與等離激元促使光吸收轉換為熱載流子以及其不同時間段下的能量分布變化。在吸收光子之后，電子從低能態躍遷至更高的能量水平，相應的原來位置處出現一個空穴位。因此，每當吸收一個光子，就有能力可以產生一個熱電子-空穴對。

　　有效的增強光吸收將是提高熱載流子產量的重要途徑，同時，所產生的熱載流子能量分布卻可以通過納米結構的形狀、等離激元模式以及電子結構共同調控。為了進一步的提高探測效率，一系列的等離激元超材料吸收器已經被用于增強熱載流子探測器的光電響應。

　　b、抑制熱載流子的傳輸損耗

　　只有在熱化之前，熱載流子傳輸至金屬與半導體界面處才有概率注入半導體從而實現光電轉換。然而，在傳輸過程中，熱載流子受到電子-電子散射以及電子-聲子散射的影響，其傳輸損耗往往受金屬中電子平均自由程(名詞解釋?)所影響。

　　在一些超薄金屬結構中（遠小于電子平均自由程），熱載流子可以發生多次載流子反射，從而進一步促進熱載流子的有效傳輸傳輸。熱載流子越過肖特基勢壘轉移至半導體中，也可以認為是傳輸過程的一部分。

　　在最近的研究中，表面等離激元可以促進界面載流子的躍遷（PICTT），該過程與常規的等離激元促進熱電子轉移（PHET）相比具有更高的轉換效率，該機制具有更快的熱載流子轉移速度，同時，可以降低熱載流子注入所需要滿足的動量匹配條件，如圖4。

　　c、等離激元熱載流子的有效提取

　　熱載流子的能量與動量分布是實現熱載流子高效提取的決定性因素。其過程往往通過Fowler模型進行描述，在塊體金屬中，熱載流子的動量分布各項同性的，而僅僅只有部分位于動量錐中的熱載流子具有注入半導體實現光電轉換的潛力。通過幾何效應，等離激元可有效地調控其熱載流子動量分布，使得更多的熱載流子具有位于動量錐中的動量。

　　此外，構筑一個三維全方位的肖特基勢壘可以使得更多熱載流子位于動量錐中，同時，增加了熱載流子轉移通道，大大增加了其量子效率（圖5）。

　　二、等離激元熱電子探測器

　　根據熱載流子的注入類型，可以分為熱電子型或者熱空穴型探測器。相比起熱空穴型探測器，等離激元熱電子探測器已經被廣泛研究。

　　a、基于光學天線的熱電子探測器

　　利用等離激元光學天線將自由空間光限制于亞波長尺度范圍內，其金屬納米天線中的熱電子能有效地注入進鄰近的半導體中，從而實現有效的光電轉換與探測。通過設計不同結構尺寸的納米天線，等離激元熱電子探測器可以實現特定波段的選擇響應以及偏振敏感等特性。

　　b、平面型熱電子探測器

　　雖然基于光學天線的熱電子探測器具有諸多卓越的優勢，但是為了構筑亞波長結構尺寸的納米天線，這往往需要使用復雜且昂貴的加工工藝，如電子束曝光(名詞解釋?)與聚焦離子束刻蝕(名詞解釋?)等，這大大增加了其加工時間以及成本，并且無法做到大規模制備。然而，常規平面型熱電子探測器由于其塊體金屬薄膜的光吸收能力弱，其量子產率往往十分的低。

　　利用塔姆等離激元或者法布羅腔體共振，可以在布拉格反射鏡以及金屬界面處產生一個很強的局域電場增強，大大提高金屬的光學吸收，從而促進熱電子的產生。此外，通過調節其布拉格反射鏡的結構參數，可以得到所需波段響應。該類探測器往往具有窄帶響應的特性，在超靈敏傳感探測方面具有很高的應用價值。

　　最新的研究表明利用TiN也可以實現寬帶的塔姆等離激元共振，從而獲得超過200 nm帶寬的響應。該類探測器在全方面多功能應用方面展現了巨大的潛力。

　　c、耦合低維納米材料的熱電子探測器

　　表面等離激元與低維納米材料耦合也能實現有效地局域電場增強，從而大大增加光響應信號。由于低維材料獨特的電學以及高比表面積等特性，該類材料可以作為優異的熱電子受體。納米線、量子點以及二維材料均被證實可應用于等離激元熱電子探測器，且展現出一系列優異的特性，如柔性器件設計、巨大光增益效應、肖特勢壘可調等。

　　d、功能型熱電子探測器

　　結合表面等離激元所具有的一系列優異特性，如對光的選擇性吸收和散射、局域電場增強以及亞波長電場束縛等，近些年來一些功能型等離激元熱電子探測器也孕育而生。該類探測器往往能實現常規探測器難以實現的新功能。如圓偏光探測、納米尺度表面成像以及波長測定等。此外，該綜述還總結了等離激元熱電子傳感器、低壓工作的紫外熱電子探測器、等離激元調制的場效應晶體管以及紅外成像應用。

　　三、納米光子集成熱載流子探測器

　　相比電子，光子具有超快的速度、超高的并行度、較大的帶寬、較低的傳輸損耗等。為了突破其摩爾極限，納米光子集成芯片也受到了更多的關注。基于等離激元熱載流子的探測器依然在其中展現出獨特的優勢。由金-硅肖特基結形成的片上探測器具有很高的CMOS兼容特性，易于與其他硅基光子器件實現超緊湊的集成。傳播型等離激元模式可在在金-半界面處產生很高的電場增強，可大大增強其熱載流子的內激發效率。熱載流子的超快馳豫與轉移也讓高靈敏、超快響應速度的探測成為了可能。

　　四、等離激元熱空穴探測器

　　相比起高于費米能級的熱電子，熱空穴往往位于金屬d帶的上方低于費米能級。因此，更低的電子-電子散射與電子-聲子散射概率使得熱空穴在紅外波段具有更高的電子平均自由程。由于其不同本征特性，等離激元熱空穴探測器在響應率大小、暗電流以及探測率方面展現出了不同的特性。表1對比近些年各類熱載流子探測器的各項性能指標。相比起熱電子型探測器，熱空穴探測器的研究依然不足。但其往往更低的肖特基勢壘高度、更高的平均自由程，為克服當前熱載流子探測器內量子效率低的問題提供了新的方案。

　　五、挑戰與展望盡管，目前等離激元熱載流子探測器在理論和實驗上都取得了不錯的進展，但相比起商業化近紅外探測器，其量子效率低依然是制約其發展的重要原因。為了進一步推進等離激元熱載流子探測器的發展，需要從多個方面展開:

　　?首先，等離激元熱載流子動力學特性依然存在許多未知的領域，這需要對更多全新的理論與機制去解釋等離激元熱載流子的動力學過程。我們認為利用其量子理論在理解其動力學特性上起著至關重要的作用。超快光譜技術的發展也加快了等離激元熱載流子動力學特性的研究進展。

　　?其次、結合等離激元的優異特性，各類功能化的熱載流子探測器將可以實現常規商用化探測器難以滿足的功能，推進了探測器的超緊湊集成、小型化以及多功能化的進程。

　　?

　　此外，石墨烯、狄拉克半金屬以及氧化銦錫作為可調控的等離激元材料，或將可以擴展等離激元熱載流子探測器應用領域。

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　　作為一種新型探測器，等離激元熱載流子探測器依然存在很多值得探索核心科學問題。

　　文章信息

　　Yisong Zhu, Hongxing Xu, Peng Yu, Zhiming Wang. Engineering plasmonic hot carrier dynamics toward efficient photodetection[J]. Applied Physics Reviews, 2021, 8(2): 021305.本文通訊單位是電子科技大學基礎與前沿研究院、武漢大學物理科學與技術學院，第一作者是博士生朱奕松，通訊作者為王志明教授和余鵬博士，其他作者包括徐紅星教授。