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物理系在半导体纳米线的光学吸收研究中取得新进展

编辑:phyqianyg 时间:2015年09月18日 访问次数:3014

自从20世纪90年代半导体纳米线出现之后,它受到人们的广泛关注。它的横截面直径在2-200nm,而长度可达几个微米,因而具有很高的纵横比,这使得它成为很好的连接纳米与微米世界的桥梁,从而有望成为电子器件、光电器件的重要基础结构之一,这其中包括太阳能电池、光探测器、传感器。半导体纳米线在使得这些器件进一步小型化的同时,还在运行性能、信噪比、发电量等方面带来一系列优势。但是,由于衍射极限,这些纳米尺度的结构不能捕获足够的光,进而影响了器件的外量子效率。近些年的一系列研究表明,半导体纳米线所支持的泄露模共振可以增强半导体纳米线的光吸收能力,使得纳米线太阳能电池与光探测器更加高效。这种共振吸收增强效应已经初步展现了纳米光学天线的理念。作为目前纳米光学的研究热点,纳米光学天线的目的是探讨光与纳米结构的相互作用,实现远场-近场之间的高效耦合。
 
最近,浙江大学物理系阮智超研究组与合作者在半导体纳米线的光学吸收研究中取得新进展,该研究成果已于2015年8月在Nano Letters vol. 15, 5513, 2015上正式发表[http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b02044]. 论文讨论了半空间入射光情况下纳米光学天线的设计原理,提出了通过破坏中心对称来提高光的有效吸收。该吸收增强的益处在于,包括太阳能电池、光探测器在内的一些光电器件的入射光只来自半个空间的角度范围。对于中心对称结构的纳米线,其吸收截面对于半个空间的积分有一个物理上限,被研究团队称作半空间极限研究表明通过破坏纳米线的中心对称结构,可以突破半空间吸收极限增强光吸收。该研究结果为设计高效纳米线太阳能电池与光探测器提供了关键理论指导。
 
作为例证,研究团队采用了纳米金属槽结构来破坏内嵌纳米线的中心对称性。将这种纳米线-金属槽结构和独立纳米线比较,数值结果表明它的确超越了半空间极限。在TM和TE两种偏振下,该结构的吸收截面半空间积分比半空间极限纳米线分别超出了39%和64%. 同时,该结构还展现出了宽带的吸收增强。
 
研究工作得到了中央高校基本科研业务费的支持。
(a) 纳米线-金属槽结构的示意图. (b)(c) TM和TE偏振下有效半空间吸收截面。红线代表纳米线-金属槽结构的有效半空间吸收截面,蓝线代表独立最优纳米线的有效半空间吸收截面