近日，中國科學院安徽合肥物質科學研究院固體物理研究所納米材料與納米結構研究室研究員費廣濤課題組，在等離子增強寬波段光電探測器研究方面取得進展，相關研究成果發表在Journal of Materials Chemistry C上。
金納米棒陣列修飾的硫化鉛薄膜的掃描示意圖
作為傳統的紅外材料，硫化鉛廣泛應用于紅外探測領域。近年來，由于納米材料的量子尺寸局域效應，納米型硫化鉛材料被廣泛研究并應用于可見光探測器，表現出優良的性能。對薄膜硫化鉛探測器而言，目前其光電響應仍不理想，需要進一步提高薄膜硫化鉛探測器的響應性能。
不同激光光照度下PbS薄膜(H=0nm)和不同高度Au納米棒(H=30、60、90、120nm)修飾的PbS薄膜的I-T曲線特性。入射光波長分別為(a)450nm；(b)532nm；(c)660nm；(d)980nm。光功率均為54.16 mW/cm2。
常見貴金屬納米材料如Au、Ag、Pt、Cu等，具有表面等離子共振特性，能夠在其周圍產生強烈的電磁場增強。這種等離子共振增強特性可以應用于光活性器件中，如光發射二極管、太陽能電池、光電探測器、光催化系統等。相比于分布雜亂無序的貴金屬結構來說，規整有序的金屬結構能夠進一步增強其表面等離子共振效應。具有有序排列的貴金屬結構如金屬孔陣列、金屬天線陣列、金屬光柵結構等可以通過調控其周期結構參數來調控其等離子共振頻率特性，進而達到選擇性增強的目的。
(a)有限時域差分模擬金納米棒(H=30、60、90、120nm)附近截面電場分布示意圖；(b)不同高度的Au納米棒(H=30、60、90、120nm)修飾的PbS薄膜的相對光電流增長與入射光波長的依賴關系。
基于以上研究現狀，費廣濤課題組碩士研究生謝秉合等采用化學浴沉積法制備出PbS薄膜，利用超薄雙通二氧化鈦多孔膜為模板構筑有序Au陣列/PbS薄膜復合光電探測器。由于Au有序陣列的等離子共振增強效應，復合薄膜光電探測器的響應率相比于純PbS薄膜探測器得到125-175%的提高。進一步研究發現，這種增強表現出明顯的波長選擇性，當改變金納米陣列的高度時，探測器響應率的最強增強波長位置會發生變化，即隨著高度由30nm增加到120nm，最強增強峰位從可見光波段(450nm)逐漸紅移到近紅外波段(980nm)。該項工作將為等離子共振增強光電探測器研究和發展提供新的思路和途徑，并表現出潛在的應用價值。
研究工作得到了國家重點研發計劃課題和國家自然科學基金的資助。
