[发明专利]光电协同表面等离激元-激子催化反应器件及制备方法

说明书

本发明提供一种光电协同表面等离激元‑激子催化反应器件及制备方法，属于表面催化反应器件技术领域。该方法首先在二氧化硅/单晶硅的硅片上热蒸发贵金属纳米颗粒，再将二维半导体材料转移到贵金属纳米颗粒基底上，然后将金/铬纳米颗粒通过热蒸发的方式按照先铬后金顺序蒸到二维半导体材料与金属纳米颗复合基底上作为源极/漏极，并且两电极的尺寸和间隙可控；最后利用底座在器件底部引入门电压。本方法在具体制作器件时，由于掩体的尺寸方便控制，所以源极/漏极间的间隙尺寸可控，可根据具体实验的需求设计不同尺寸的间隙，提高分子反应的可利用区域，进而提高局域表面等离激元共振效应，提高表面催化反应的效率。

技术领域

本发明涉及表面催化反应器件技术领域，特别是指一种光电协同表面等离激元-激子催化反应器件及制备方法。

背景技术

表面等离激元(SPs)是电磁波(光)与金属(或掺杂半导体)表面内的准自由电子气集体振荡相干耦合后形成的一种共振激发元。通常把能局域于金属纳米颗粒表面的电子振荡称为局域表面等离激元共振(LSPR)。在纳米尺度范围，等离激元诱导的催化反应占据主导地位，通常我们把它称作等离激元诱导化学反应。众所周知，等离激元衰减而产生的热电子在等离激元诱导的化学反应中扮演着重要的角色。当热电子暂时吸附于目标分子时，等离激元诱导化学反应中的分子的中性势能面(PES)被注入电子，因此使分子的反应势垒显著降低，同时热电子还能暂时起到连接分子的作用。同时，热电子的动能可以有效地转移给目标分子，为催化反应提供能量；热电子还能作为催化反应所需的能量推动分子反应的发生。

但是，如文献1(Langmuir,2011；27[17]:10677)中的数据可以看出等离激元衰减产生的热电子的态密度非常低，寿命短，因此等离激元诱导的表面催化反应的效率相对低下。为了克服这些缺点，表面等离激元-激子耦合相互作用的出现提供了新思路，因为激子的存在，耦合体系产生的热电子更容易积累了，并且其寿命相较仅等离激元时大幅提升了，从飞秒提升到了皮秒。另一方面，局域表面等离激元共振效应能使局域电磁场大大增强，从而能够进一步促进激子的产生，增加催化反应的效率。总而言之，等离激元-激子耦合共驱动表面催化反应的效率要远高于仅表面等离激元诱导的催化反应。

但如今常见的引入激子的方法主要是通过光诱导。如文献2(Materials TodayEnergy,2017；5:72)所报道的，通过激光和二维半导体材料的相互作用，光诱导产生激子与等离激元发生耦合作用，从而驱动表面催化反应的进行。

而其中涉及到的，常见的电学器件的设计主要局限于微纳尺寸，如文献3(Nature,2008；451:163)中所报道的，可观测的范围小，加工难度高，成本高，普遍使用的拉曼散射光谱仪器难以对其进行精准定位。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光电协同表面等离激元-激子催化反应器件及制备方法，使在光场调控表面等离激元-激子耦合催化反应的同时引入电场作用，并且能够改善器件设计使催化反应能够更低价并有效得进行。

该器件包括硅片、二维半导体材料和源极/漏极，硅片上覆盖贵金属纳米颗粒，贵金属纳米颗粒上覆盖二维半导体材料，源极/漏极位于二维半导体材料上，硅片置于底座上，底座底部引入门电压。

其中，硅片包括SiO₂层和Si层，Si层上覆盖SiO₂层。

该器件的制备方法包括如下步骤：

S1：在二氧化硅/单晶硅的硅片上热蒸发贵金属纳米颗粒，得到贵金属纳米材料基底；根据适合的激光波长，用热蒸发的方法沉积不同厚度的金属纳米颗粒，例如用532nm激光时可热蒸发10nm的银纳米颗粒；

S2：将二维半导体材料转移到S1中制得的贵金属纳米颗粒基底上，并进行清洗保证表面清洁；

S3：将金/铬纳米颗粒通过热蒸发的方式按照先铬后金的顺序蒸发到S2中制得的二维半导体材料与金属纳米颗粒复合基底上作为源极/漏极；