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通过纳米球光刻技术制造的等离子体纳米二极管上热电子流的操控。

Manipulation of hot electron flow on plasmonic nanodiodes fabricated by nanosphere lithography.

作者信息

Kang Mincheol, Park Yujin, Lee Hyunhwa, Lee Changhwan, Park Jeong Young

机构信息

Department of Chemistry, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon 305-701, Republic of Korea.

Center for Nanomaterials and Chemical Reactions, Institute for Basic Science (IBS), Daejeon 305-701, Republic of Korea.

出版信息

Nanotechnology. 2021 Mar 9;32(22). doi: 10.1088/1361-6528/abe827.

DOI:10.1088/1361-6528/abe827
PMID:33607643
Abstract

Energy conversion to generate hot electrons through the excitation of localized surface plasmon resonance (LSPR) in metallic nanostructures is an emerging strategy in photovoltaics and photocatalytic devices. Important factors for surface plasmon and hot electron generation are the size, shape, and materials of plasmonic metal nanostructures, which affect LSPR excitation, absorbance, and hot electron collection. Here, we fabricated the ordered structure of metal-semiconductor plasmonic nanodiodes using nanosphere lithography and reactive ion etching. Two types of hole-shaped plasmonic nanostructures with the hole diameter of 280 and 115 nm were fabricated on Au/TiOSchottky diodes. We show that hot electron flow can be manipulated by changing the size of plasmonic nanostructures on the Schottky diode. We show that the short-circuit photocurrent changes and the incident photon-to-electron conversion efficiency results exhibit the peak shift depending on the structures. These phenomena are explicitly observed with finite difference time domain simulations. The capability of tuning the morphology of plasmonic nanostructure on the Schottky diode can give rise to new possibilities in controlling hot electron generation and developing novel hot-electron-based energy conversion devices.

摘要

通过激发金属纳米结构中的局域表面等离子体共振(LSPR)来实现能量转换以产生热电子,这是光伏和光催化器件领域中一种新兴的策略。表面等离子体和热电子产生的重要因素是等离子体金属纳米结构的尺寸、形状和材料,它们会影响LSPR激发、吸光度和热电子收集。在此,我们使用纳米球光刻和反应离子蚀刻技术制备了金属 - 半导体等离子体纳米二极管的有序结构。在Au/TiO肖特基二极管上制备了两种孔径分别为280和115 nm的孔形等离子体纳米结构。我们表明,通过改变肖特基二极管上等离激元纳米结构的尺寸,可以控制热电子流。我们还表明,短路光电流变化和入射光子到电子的转换效率结果会根据结构出现峰值偏移。通过时域有限差分模拟可以清楚地观察到这些现象。在肖特基二极管上调节等离子体纳米结构形态的能力,可能会为控制热电子产生和开发新型基于热电子的能量转换器件带来新的可能性。

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