徐红星团队发现硅纳米材料中巨大光热电效应

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徐红星团队在轻掺杂硅纳米材料中首次观察到了受限载流子-声子散射导致的光热电效应。该工作以“Giant Photothermoelectric Effect in Silicon Nanoribbon Photodetectors”（《 硅纳米带光电探测器中的巨大光热电效应》）为题发表在Light: Science & Applications（《光：科学与应用》）上。武汉大学为第一署名单位，博士生代伟、博士毕业生刘维康为共同第一作者，徐红星教授与管志强副教授为通讯作者。论文作者还包括武汉大学的刘昌教授和博士生徐超。
       光热电效应（Photothermoelectric effect）是利用光激发纳米材料中产生的热载流子的浓度和温度梯度来驱动载流子定向运动来产生开路电压/短路电流光电响应的一种新型光电转换机制。由于可以利用光生载流子弛豫过程中损失的热能，提高光电探测器的光响应度和太阳能电池的能量转化效率，光热电效应近年来得到广泛关注。已报道的光热电效应研究集中在低维材料，如碳纳米管、石墨烯、黑磷、III–V族半导体纳米线等。但这些材料较低的光吸收和难以大面积可控的制备，限制了光热电效应这一新型光电转换机制在太阳能电池和光电探测器方面的实际应用。
       徐红星课题组通过结合来源丰富、与CMOS工艺兼容的硅材料与先进的微纳加工技术，首次在硅纳米材料中实现了不同于晶格温度的热载流子温度场稳态分布，结合包含载流子-晶格双温度模型的光-热-电多物理场模型对硅光热电效应光电响应进行了模拟和优化设计，通过欧姆型电极接触和利用轻掺杂硅纳米材料成功实现了基于光热电效应的高达105 V W-1 @633 nm的开路光电压响应，比先前文献报道光热电效应光电响应高3-4个数量级，为利用光热电效应和热载流子能量提高光电转换效率的实际应用提供了重要思路。

图1：硅纳米带光电探测器的结构示意图及光热电效应机制和载流子温度场分布

图2：载流子-晶格相互作用时间以及掺杂浓度对光热电效应的影响、器件优化后测得的光电响应

       此外，徐红星课题组通过结合硅带状纳米材料与金纳米光栅结构，首次实现了具有偏振、波长分辨的等离激元增强光热电型硅基光电探测器。通过金纳米光栅等离激元结构引起硅材料中的共振光吸收进一步提高了器件的光电响应，并且具有波长、偏振等响应敏感性。这一成果早前发表在国际著名刊物Nanoscale上。
       以上研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金等基金资助。
       论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-020-00364-x
        https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nr/c8nr10222h


        文章来源：武汉大学

        徐红星，武汉大学物理科学与技术学院教授，973项目首席科学家，长江特聘教授，2006年杰青，2010年获得中国青年科技奖，2013年获得饶毓泰物理奖，2016年获中国光学重要成果奖，2017年当选中国科学院院士。他长期从事表面增强光谱、等离激元光子学和纳米光学领域的研究工作：在实验上首次发现了金属纳米结构间隙的巨大电磁场增强效应，是超灵敏光谱传感的基础；首次实现了纳米光逻辑，开创了纳米光芯片研究的新方向；最近把等离激元共振的灵敏度提高到亚皮米精度。发表论文180余篇，SCI引用13000余次，单篇引用超过1000次的两篇（分别是1999年PRL，当年PRL被引最高的两篇文献之一；2000年PRE，当年PRE被引最高文献，被选为PRE的里程碑论文），单篇超过100次的37篇，h因子58；2014-2017年连续入选中国高被引学者榜。他已作国际会议邀请报告60余次；在等离激元光子学领域国际系列会议（SPP，NFO，SPIE,FOP）中，任FOP国际会议的大会主席，其它三大国际会议的程序委员会委员；最近任高登研究会议（GRC）Plasmonically-Powered Processes国际会议首届大会主席；曾任Nanoscale副主编，Optics Express副主编。