[发明专利]表面等离激元-半导体异质结谐振光电器件及其制备方法

说明书

本发明提出了一种表面等离激元‑半导体异质结谐振光电器件及其制备方法，其中，表面配体分子(2)修饰在表面等离激元纳米结构(1)上，表面等离激元晶面结构(3)绑定在表面配体分子(1)上，半导体纳米结构晶种(4)位于表面等离激元晶面结构(3)上，一维半导体纳米结构(5)位于半导体纳米结构晶种(4)上，且各部分形成紧密的接触。该类异质集成材料在界面处实现了晶格的匹配，大大降低了缺陷、晶面粗糙等带来的损耗，可实现表面等离激元模式与光模式的直接耦合，在纳米激光器、纳米热源、光电探测及光催化领域中具有极大地应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域、集成光学器件领域，特别涉及一种表面等离激元-半导体异质结谐振光电器件及其制备方法。

背景技术

随着半导体理论的不断发展，在追求器件的小型化和集成化的同时，如何构造高量子效率、低成本以及可大批量制备的半导体光电器件是当前人们研究的热点方向，并开辟了一系列新的应用领域。然而，由于半导体纳米材料自身带隙的限制及光生载流子再复合等问题，使得传统的基于半导体材料的光电器件存在响应波长受限、量子效率低等缺陷，导致该类器件在实用性、可靠性以及成本等方面限制了其应用范围和进一步的工业化和市场化。随着表面等离激元学研究的兴起，为该类半导体基光电器件技术的发展提供了新的契机。表面等离激元具有显著的近场局域增强特性，可作为一种“纳米天线”，极大地促进局部的光强密度。通过改变纳米结构本身的几何形状、材质、尺寸及环境介质等因素实现紫外到中红外波段可调的谐振谱。此外，Purcell指出，可通过合理的构造特定的腔，波导结构来调控材料周围电磁场的态密度，进而控制材料的自发辐射几率，该效应称为Purcell效应。基于该效应，为了有效提高半导体材料的量子效率，高态密度和小模体积将有助于获得较大的Purcell系数。因此，如果能将等离激元效应与Purcell效应二者有效结合起来，即将半导体材料对应的辐射频率接近于等离激元的谐振频率，那么将会显著提高该半导体光电器件的量子效率，光能的利用率将大幅提高。

随着半导体加工工艺的的日渐成熟，基于表面等离激元-半导体异质集成的有源、无源光电器件的研究层出不穷，但大多数的制备工艺仅仅通过焊接、绑定、修饰以及组装等方式实现两种不同材料的异质集成。制备工艺复杂，成本高而且周期长，与此同时，以上这些技术手段难以在表面等离激元结构上实现长径比可调、密度可控以及取向可变的半导体材料。不同材料之间的晶面失配也导致形成的异质集成的光电器件存在较高的界面损耗以及诸多的不确定性，器件的实用性及稳定性也需要进一步发掘。

因此，亟需一种高质量、稳定且可大批量制备的高效异质集成光电器件，避免传统构造晶面技术手段带来的“特异性”差(导致极易生成核壳型结构而无法实现光波的传导)，不可控等缺陷，从而实现表面等离激元传统与光模式的直接高效耦合。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出了一种表面等离激元-半导体异质结谐振光电器件，该方法通过化学绑定特定金属晶面，并通过复合半导体晶种及其续生长来严格实现密度、长径比、取向可控的半导体结构。通过调控该种异质集成结构工艺可实现多种有源、无源表面等离激元光电器件，在纳米材料、集成光电子器件领域具有重要应用。

技术方案：本发明的一种表面等离激元-半导体异质结谐振光电器件包括：表面等离激元纳米结构，表面配体分子，表面等离激元晶面结构，半导体纳米结构晶种和一维半导体纳米结构；其中，表面配体分子修饰在表面等离激元纳米结构上，表面等离激元晶面结构绑定在表面配体分子上，半导体纳米结构晶种位于表面等离激元晶面结构上，一维半导体纳米结构位于半导体纳米结构晶种上，且各部分形成紧密的接触。

其中，

所述的表面等离激元纳米结构，形貌为三角板、线或十面体的各向异性晶体材料，长轴尺寸为10-10000nm，或为球、对称多面体的各向同性晶体材料，尺寸为10-3000nm。

所述的表面等离激元纳米结构，供选材料为金、银、铜、铝或铂等具有表面等离激元效应的金属材料；