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可提高纳米光子器件发光性能的硅纳米颗粒阵列

作者:LabBang译 来源:物理学家组织网 时间:2020-07-22 11:58 阅读:145 [投稿]
纳米光子学是研究纳米尺度光和物质相互作用的,这一领域的发现对纳米制造技术和未来的光子器件都具有重要意义。

纳米光子学是研究纳米尺度光和物质相互作用的,这一领域的发现对纳米制造技术和未来的光子器件都具有重要意义。直到最近,金属纳米粒子仍是主要用于纳米光子器件。但是现在,半导体材料如硅被认为是纳米颗粒一种新的原料。

来自荷兰埃因霍温理工大学和京都大学的研究人员发表了两篇关于基于硅的纳米光子结构的关键论文。为了纪念2020年国际光日,一篇发表在ACS Photonics杂志上的论文被选为过去一年光子学领域的顶级论文之一。


纳米光子学研究的是纳米颗粒大小与光的波长近似相等时纳米颗粒与光的相互作用。控制这种所谓的共振响应对开发新的纳米制造技术和实际应用具有积极的意义,例如提高太阳能电池和led的效率以及光电探测器的灵敏度。

把研究焦点转移到硅材料上

历史上,纳米光子学界使用金属纳米颗粒,粒子中的自由电荷在与入射电磁波(光)的电场相互作用后振荡。近年来,焦点已经转移到由半导体材料(如硅)制成的纳米颗粒上,在这种材料中,光与束缚在原子上的电子相互作用,而不是自由电荷。对于金属纳米粒子,光与半导体纳米粒子之间的相互作用可以表现为振荡或共振响应。

Jaime Gómez Rivas教授领导的光子集成研究所(IPI)和应用物理系的研究人员正与京都大学合作,积极研究半导体纳米结构在纳米光子学中的应用。最近,他们在Advanced Optical Materials和ACS PhotonicsACS杂志上发表了两项重要发现。

有机材料与纳米硅的强耦合

一种新的研究途径涉及到强耦合机制,即光与纳米颗粒材料之间的相互作用足以改变材料的基本性质。事实上,杂化的结果是物质具有某些光特性,而光具有某些物质特性。当有机材料被用于光电器件时,一个关键问题是材料在光照下的降解以及电荷可以传播的短距离。强耦合将有助于限制这些负面影响。

Gabriel Castellanos及其同事在ACS Photonics上发表的第一篇论文中,实现了有机材料和多晶硅纳米颗粒阵列之间的电磁振荡的强耦合。这一发现为硅基材料在有机光电器件中的应用铺平了道路,这可能导致性能的提高。如上所述,为了纪念国际光日(2020年5月16日),本文被美国化学学会(American Chemical Society)出版的ACS Photonics杂志选为2019年5月至2020年5月期间光子学领域最相关的24篇论文之一。

增强光的发射

在第二篇论文中,Shunsuke Murai和他的同事证明了规则排列的多晶硅纳米颗粒(不同形状和尺寸)相互耦合可以隔离电磁振荡。因此,当染料分子靠近阵列时,染料分子与硅纳米颗粒阵列之间的更强耦合导致分子的光发射增强。例如,当与纳米颗粒阵列的电场耦合时,在某些方向上观察到20倍的增强,而当与磁场耦合时,可以观察到5倍的增强。这对未来led的设计有一定的启示。

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