[发明专利]光吸收器件及其制造方法以及光电极

说明书

本发明的光吸收器件具有：光反射层；电介质层，配置于上述光反射层上；以及多个金属纳米结构体，配置于上述电介质层上。上述多个金属纳米结构体分别为其一部分被埋入到上述电介质层内，另一部分露出到外部。

技术领域

本发明涉及光吸收器件及其制造方法。另外，本发明还涉及包含上述光吸收器件的光电极。

背景技术

光与物质发生相互作用的概率较小。因此，为了使光与物质发生相互作用，进行了各种尝试。例如，为了提高生物传感器的灵敏度、生物成像图像的分辨率等，使用激光作为光。另外，为了提高太阳能电池、人工光合作用等中的光能转换的效率，还进行了用于吸收光的分子、量子点等的高密度的配置，或用于吸收光的半导体的增厚等。然而，在这样的方法中存在以下问题：原料成本增加，或在有些种类的半导体中因增厚而导致电荷分离效率降低。

在这种背景下，作为用于增大光与物质发生相互作用的概率的方法，表现出局域表面等离子体共振的金属纳米结构体、封闭光的微谐振器、光子晶体等微米纳米结构备受关注。特别是，由于利用局域表面等离子体共振的器件仅通过将多个金属纳米结构体(金属纳米微粒)配置于二维平面上就能够高效地捕获光，所以在这十几年来一直在进行广泛研究。近年来，如下内容已被提出：若在氧化物半导体基板上配置多个金属纳米结构体，则不仅能够使光放大，还能够促进电子从金属向半导体注入，对氢的产生、氨的合成等化学反应也能带来等离子体的效果。

然而，仅将多个金属纳米结构体配置于半导体基板的表面是无法完全捕获光的。通常，若仅将多个金属纳米结构体配置于半导体基板的表面，则最大吸收50％左右的光就是极限了。而且，在该情况下，仅能够吸收表现出等离子体共振的特定波长的光。另外，还提出了使半导体的形状成为纳米棒结构、纳米管结构、蜂窝结构等以实现三维化，并在其中担载金属纳米结构体而使光吸收量增大。然而，在该方法中，虽然表面上的光-能量转换效率增大，但仅是有效地利用了基于等离子体共振的特定波长的光，无法实现宽波长范围的光的吸收和内部量子产率的增大。

作为能够吸收宽波长范围的光的光吸收器件，已提出了在金薄膜上形成电介质层，再在其上或其中配置多个金属纳米结构体的、被称为“完美吸收体”或“超级吸收体”的光吸收器件(参照非专利文献1)。可以认为，在该光吸收器件中，在隔着电介质层而位于金属纳米结构体的正下方的金薄膜中，作为镜像，形成与金属纳米结构体产生的等离子体相反相位的等离子体，在金属纳米结构体中的等离子体与金薄膜中的等离子体之间产生被称作“像偶极子相互作用”的强的近场相互作用，所以能够吸收宽波长范围的光(参照非专利文献2)。在该光吸收器件中，由于仅着眼于光吸收，所以将金属纳米结构体配置于电介质层之上，或完全埋入到电介质层中。另外，认为在该光吸收器件中，由于预计要利用像偶极子相互作用，所以必须减小电介质层的厚度。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：Mehdi Keshavarz Hedayati,et al.,“Design of a PerfectBlack Absorber at Visible Frequencies Using Plasmonic Metamaterials”,AdvancedMaterials,Vol.23,pp.5410-5414

非专利文献2：Na Liu,Martin Mesch,et al.,“Infrared Perfect Absorber andIts Application As Plasmonic Sensor”,Nano Letters,Vol.10,pp.2342-2348

发明内容

发明要解决的问题

如上所述，由于非专利文献1和非专利文献2所记载的以往的光吸收器件利用像偶极子相互作用，所以在结构上存在制约。

因此，本发明的目的在于提供结构上的制约少，且能够在宽波长范围内有效地捕获光的光吸收器件及其制造方法。另外，本发明的目的还在于提供包含上述光吸收器件的光电极。