基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)特性調(diào)控研究一、引言1.1研究背景與意義在當今材料科學與納米技術(shù)迅速發(fā)展的時代，金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)因其獨特的物理性質(zhì)和廣泛的應用前景，成為了眾多科研領域的研究熱點。這種復合結(jié)構(gòu)巧妙地融合了金屬和半導體的特性，展現(xiàn)出了單一材料無法比擬的優(yōu)勢，在光電器件、能源轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)學等諸多領域都具有巨大的應用潛力。在光電器件領域，金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)被廣泛應用于光電探測器、發(fā)光二極管等器件中。以光電探測器為例，傳統(tǒng)的半導體光電探測器在響應速度、靈敏度和光譜響應范圍等方面存在一定的局限性。而引入金屬納米結(jié)構(gòu)后，利用其表面等離激元共振效應，能夠顯著增強光的吸收和熱載流子的產(chǎn)生效率，從而提高光電探測器的性能。太原理工大學的科研團隊設計的基于Au/TiO?復合納米結(jié)構(gòu)的熱電子光電探測器，通過Au納米顆粒與頂層保形Au膜共同組成的表面等離激元納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在400-900nm波段內(nèi)的寬譜光吸收特性，平均光吸收效率達到33.84%，響應率和外量子效率也呈現(xiàn)出寬譜響應特征，為高性能光電探測器的發(fā)展提供了新的思路。在能源轉(zhuǎn)換領域，金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)在太陽能電池、光催化分解水制氫等方面展現(xiàn)出了重要的應用價值。在太陽能電池中，金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元共振可以增強光的捕獲和利用效率，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。石河子大學理學院光電新能源材料研究團隊通過在體系中引入貴金屬納米粒子，利用其局域表面等離子體共振吸收峰與形貌、結(jié)構(gòu)、組分等的密切相關性，實現(xiàn)了對太陽光譜的精準可調(diào)控吸收，有效提升了光電轉(zhuǎn)換效率，并將研究成果應用于光解水制氫和太陽能光伏電池，為解決能源問題提供了新的途徑。在生物醫(yī)學領域，金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)可用于生物成像、疾病診斷和治療等方面。暨南大學納米光子學研究院的科研人員構(gòu)建的在可見-近紅外光范圍內(nèi)具有表面等離激元共振效應的鎢酸鉍納米晶與上轉(zhuǎn)換納米顆粒的復合結(jié)構(gòu)，能夠同時實現(xiàn)癌細胞生物成像和光熱治療的雙重功能，為半導體等離激元材料的生物醫(yī)藥應用提供了新思路。表面等離激元共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）在調(diào)控金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的特性中起著至關重要的作用。當光照射到金屬表面時，金屬中的自由電子會與光的電磁場相互作用，產(chǎn)生集體振蕩，形成表面等離激元。在特定條件下，表面等離激元與入射光發(fā)生共振，即表面等離激元共振。這種共振現(xiàn)象能夠帶來一系列獨特的效應，如局域場增強、光吸收和散射增強等，這些效應為調(diào)控金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的光學、電學、催化等性質(zhì)提供了有力的手段。通過合理設計金屬納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、組成以及與半導體的復合方式，可以精確調(diào)控表面等離激元共振的特性，進而實現(xiàn)對復合納米結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化。然而，盡管金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)在眾多領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力，并且表面等離激元共振在其特性調(diào)控中具有關鍵作用，但目前對于該復合結(jié)構(gòu)的深入理解和精確調(diào)控仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，如何進一步提高表面等離激元共振的效率，降低能量損耗；如何實現(xiàn)金屬與半導體之間的高效電荷轉(zhuǎn)移和界面匹配；如何精確控制復合納米結(jié)構(gòu)的制備過程，以獲得均一、穩(wěn)定且具有特定性能的材料等。這些問題的解決對于推動金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的實際應用具有重要意義。因此，深入研究基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的特性調(diào)控具有重要的科學意義和實際應用價值。一方面，從科學研究角度來看，這有助于深入理解光與物質(zhì)在納米尺度下的相互作用機制，豐富和拓展納米光子學、材料科學等學科的理論體系；另一方面，從實際應用角度出發(fā)，通過對復合納米結(jié)構(gòu)特性的有效調(diào)控，可以開發(fā)出性能更優(yōu)異的光電器件、能源轉(zhuǎn)換材料和生物醫(yī)學探針等，為解決能源危機、環(huán)境問題和人類健康等重大挑戰(zhàn)提供新的技術(shù)和方法。1.2研究現(xiàn)狀近年來，基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外都受到了廣泛的研究關注，取得了一系列重要的研究成果，為該領域的發(fā)展奠定了堅實的基礎，但也存在一些亟待解決的問題。在國內(nèi)，眾多科研團隊在該領域開展了深入研究。太原理工大學的科研團隊設計的基于Au/TiO?復合納米結(jié)構(gòu)的熱電子光電探測器，通過Au納米顆粒與頂層保形Au膜共同組成的表面等離激元納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在400-900nm波段內(nèi)的寬譜光吸收特性，平均光吸收效率達到33.84%，響應率和外量子效率也呈現(xiàn)出寬譜響應特征，為高性能光電探測器的發(fā)展提供了新的思路。石河子大學理學院光電新能源材料研究團隊通過在體系中引入貴金屬納米粒子，利用其局域表面等離子體共振吸收峰與形貌、結(jié)構(gòu)、組分等的密切相關性，實現(xiàn)了對太陽光譜的精準可調(diào)控吸收，有效提升了光電轉(zhuǎn)換效率，并將研究成果應用于光解水制氫和太陽能光伏電池，為解決能源問題提供了新的途徑。暨南大學納米光子學研究院的科研人員構(gòu)建的在可見-近紅外光范圍內(nèi)具有表面等離激元共振效應的鎢酸鉍納米晶與上轉(zhuǎn)換納米顆粒的復合結(jié)構(gòu)，能夠同時實現(xiàn)癌細胞生物成像和光熱治療的雙重功能，為半導體等離激元材料的生物醫(yī)藥應用提供了新思路。在國外，科研人員也在不斷探索基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的特性調(diào)控及應用。一些研究聚焦于通過精確控制金屬納米結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，來實現(xiàn)對表面等離激元共振頻率和強度的精準調(diào)控。例如，有研究通過設計特殊形狀的金屬納米結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了表面等離激元共振的多頻段調(diào)控，為開發(fā)新型光電器件提供了理論支持。在金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的界面研究方面，國外科研團隊通過先進的表征技術(shù)，深入研究了金屬與半導體之間的電荷轉(zhuǎn)移機制和界面相互作用，為優(yōu)化復合結(jié)構(gòu)的性能提供了重要依據(jù)?，F(xiàn)有研究在制備方法、性能調(diào)控和應用探索等方面取得了顯著成果，但仍存在一些不足之處。在制備方法上，雖然目前已經(jīng)發(fā)展了多種制備金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的方法，如化學合成法、物理氣相沉積法等，但這些方法往往存在制備過程復雜、成本高、難以大規(guī)模制備等問題，且制備過程中對納米結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和組成的精確控制仍面臨挑戰(zhàn)，這限制了高質(zhì)量復合納米結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)和實際應用。在性能調(diào)控方面，雖然表面等離激元共振能夠顯著影響金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的光學、電學等性能，但目前對于表面等離激元共振與復合結(jié)構(gòu)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系和作用機制的理解還不夠深入全面。如何進一步提高表面等離激元共振的效率，降低能量損耗，實現(xiàn)金屬與半導體之間的高效電荷轉(zhuǎn)移和界面匹配，仍然是亟待解決的關鍵問題。此外，在不同應用場景下，如何綜合調(diào)控復合納米結(jié)構(gòu)的多種性能以滿足實際需求，也需要更深入的研究。在應用方面，雖然金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)在光電器件、能源轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)學等領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力，但目前大多數(shù)研究仍處于實驗室階段，距離實際大規(guī)模應用還有一定距離。在實際應用中，還需要考慮材料的穩(wěn)定性、生物相容性、環(huán)境友好性等因素，以及解決與現(xiàn)有技術(shù)和工藝的兼容性問題。例如，在生物醫(yī)學應用中，復合納米結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性和潛在的生物毒性需要進一步研究和評估；在光電器件應用中，如何將復合納米結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的半導體工藝相結(jié)合，實現(xiàn)器件的高性能和低成本制造，也是需要解決的重要問題。1.3研究內(nèi)容與方法本文圍繞基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的特性調(diào)控展開研究，具體內(nèi)容和方法如下：表面等離激元共振與金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的基本原理研究：深入研究表面等離激元共振的產(chǎn)生機制、傳播特性以及與金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的相互作用原理。從經(jīng)典電磁理論出發(fā)，推導表面等離激元共振的相關公式，分析其共振頻率、場增強等特性與金屬納米結(jié)構(gòu)參數(shù)（如尺寸、形狀、組成）以及半導體材料性質(zhì)之間的關系。通過對現(xiàn)有文獻的綜合分析，梳理表面等離激元共振在金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)中對光、電、熱等物理過程的影響機制，為后續(xù)研究奠定堅實的理論基礎。金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的制備與表征：探索多種制備金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的方法，如化學合成法中的溶膠-凝膠法、溶劑熱法，以及物理氣相沉積法中的磁控濺射、分子束外延等。對比不同制備方法的優(yōu)缺點，根據(jù)研究目標選擇合適的方法制備具有特定結(jié)構(gòu)和性能的復合納米結(jié)構(gòu)。在制備過程中，精確控制實驗條件，如溫度、反應時間、氣體流量等，以實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、組成和界面質(zhì)量的精確調(diào)控。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）等微觀表征技術(shù)，觀察復合納米結(jié)構(gòu)的形貌和微觀結(jié)構(gòu)，確定納米顆粒的尺寸分布、形狀特征以及金屬與半導體之間的界面結(jié)合情況。利用X射線衍射（XRD）分析復合納米結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成，通過能量色散X射線光譜（EDS）和X射線光電子能譜（XPS）確定其化學組成和元素價態(tài)?；诒砻娴入x激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的光學特性研究：利用紫外-可見-近紅外分光光度計測量復合納米結(jié)構(gòu)的光吸收光譜，研究表面等離激元共振對光吸收的增強作用，分析吸收峰的位置、強度與納米結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關系。通過熒光光譜儀測量復合納米結(jié)構(gòu)的熒光發(fā)射光譜，研究表面等離激元共振對熒光發(fā)射的影響，包括熒光增強、熒光猝滅以及熒光壽命的變化等。采用光致發(fā)光光譜（PL）和時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）等技術(shù)，深入探究復合納米結(jié)構(gòu)中光生載流子的產(chǎn)生、復合和傳輸過程，揭示表面等離激元共振與光生載流子動力學之間的內(nèi)在聯(lián)系?；诒砻娴入x激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的電學特性研究：通過四探針法、范德堡法等測量復合納米結(jié)構(gòu)的電導率、電阻率等電學參數(shù)，研究表面等離激元共振對其電學性能的影響。利用電流-電壓（I-V）特性測試，分析復合納米結(jié)構(gòu)在不同偏壓下的電學行為，研究金屬與半導體之間的肖特基結(jié)特性以及表面等離激元共振對肖特基結(jié)勢壘高度、電流傳輸機制的影響。采用電化學工作站等設備，研究復合納米結(jié)構(gòu)在電化學反應中的電學性能，如電極的電容、電荷轉(zhuǎn)移電阻等，探討表面等離激元共振在電催化、傳感器等領域的應用潛力?；诒砻娴入x激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的催化特性研究：以典型的催化反應（如光催化分解水制氫、CO?還原、有機污染物降解等）為模型，研究復合納米結(jié)構(gòu)在表面等離激元共振作用下的催化性能。通過測量催化反應的速率、選擇性和穩(wěn)定性等指標，評估表面等離激元共振對催化活性的提升效果。利用原位光譜技術(shù)（如原位紅外光譜、原位拉曼光譜）和理論計算方法（如密度泛函理論DFT），深入研究催化反應過程中的中間產(chǎn)物、反應路徑以及表面等離激元共振對催化反應機理的影響，揭示表面等離激元共振增強催化性能的本質(zhì)原因。金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)在光電器件中的應用研究：基于對復合納米結(jié)構(gòu)特性的研究，設計并制備基于表面等離激元共振的新型光電器件，如光電探測器、發(fā)光二極管、激光器等。通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，提高器件的性能指標，如光電探測器的響應率、靈敏度、探測帶寬，發(fā)光二極管的發(fā)光效率、發(fā)光強度和色純度等。對制備的光電器件進行性能測試和分析，研究表面等離激元共振在器件中的作用機制，探討器件性能與復合納米結(jié)構(gòu)特性之間的關系，為光電器件的進一步優(yōu)化和實際應用提供理論指導和技術(shù)支持。在研究方法上，本文綜合運用理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段。理論分析主要基于經(jīng)典電磁理論、量子力學、固體物理等相關學科知識，建立數(shù)學模型，推導相關公式，對表面等離激元共振和金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的特性進行理論計算和分析。實驗研究通過搭建實驗平臺，利用各種先進的實驗儀器和設備，對復合納米結(jié)構(gòu)的制備、表征以及性能測試進行系統(tǒng)的實驗研究，獲取實驗數(shù)據(jù)，驗證理論分析的結(jié)果，并為數(shù)值模擬提供實際的參考依據(jù)。數(shù)值模擬采用有限元方法（FEM）、時域有限差分法（FDTD）、離散偶極近似法（DDA）等數(shù)值計算方法，利用商業(yè)軟件（如COMSOLMultiphysics、LumericalFDTDSolutions等）對復合納米結(jié)構(gòu)中的光、電、熱等物理過程進行模擬分析，直觀地展示表面等離激元共振的特性和分布情況，深入研究復合納米結(jié)構(gòu)的性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關系，為實驗研究提供理論指導，優(yōu)化實驗方案，減少實驗成本和時間。通過這三種研究方法的有機結(jié)合，全面、深入地研究基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的特性調(diào)控，為其在光電器件、能源轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)學等領域的實際應用提供堅實的理論和技術(shù)基礎。二、表面等離激元共振及金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)基礎2.1表面等離激元共振原理2.1.1基本概念表面等離激元共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）是一種在金屬表面發(fā)生的獨特物理現(xiàn)象，其本質(zhì)是金屬表面的自由電子與入射光子之間的強烈相互作用，進而產(chǎn)生的一種集體電磁振蕩。從微觀角度來看，金屬內(nèi)部存在著大量可以自由移動的電子，這些電子在金屬晶格中形成了自由電子氣。當光波（電磁波）入射到金屬與電介質(zhì)的分界面時，入射光的交變電磁場會對金屬表面的自由電子施加作用力，使得自由電子產(chǎn)生集體振蕩。這種振蕩并非是單個電子的獨立運動，而是眾多電子協(xié)同的集體行為。在一定條件下，當電子的振蕩頻率與入射光波的頻率達到一致時，就會發(fā)生共振現(xiàn)象，即表面等離激元共振。在共振狀態(tài)下，電磁場的能量能夠有效地轉(zhuǎn)化為金屬表面自由電子的集體振動能，從而形成一種特殊的電磁模式。此時，電磁場被高度局限在金屬表面非常小的范圍內(nèi)，并且場強會發(fā)生顯著增強。這種局域場增強效應是表面等離激元共振的一個重要特征，它使得金屬表面附近的光與物質(zhì)相互作用得到極大的增強，為眾多應用提供了物理基礎。表面等離激元可以分為傳播型表面等離激元和局域型表面等離激元。傳播型表面等離激元（PropagatingSurfacePlasmons，PSPs）沿著金屬與介質(zhì)的界面?zhèn)鞑?，其電場在界面方向上具有一定的傳播長度，但由于金屬的歐姆熱效應等能量損耗機制，傳播距離通常在微米量級。而局域型表面等離激元（LocalizedSurfacePlasmons，LSPs）主要存在于金屬納米顆粒等微小結(jié)構(gòu)上，當光照射到這些納米結(jié)構(gòu)時，自由電子的振蕩被限制在納米顆粒的表面區(qū)域，形成局域化的表面等離激元共振。局域型表面等離激元的共振特性與納米顆粒的尺寸、形狀、組成以及周圍介質(zhì)環(huán)境等因素密切相關，通過精確調(diào)控這些因素，可以實現(xiàn)對其共振頻率和場增強特性的靈活調(diào)節(jié)。2.1.2產(chǎn)生條件與影響因素表面等離激元共振的產(chǎn)生需要滿足特定的條件，其中波矢匹配條件是關鍵因素之一。在一般情況下，由于表面等離激元波矢大于光波在真空中的波矢，直接用光波激發(fā)表面等離激元是無法滿足波矢匹配條件的，因此需要引入特殊的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)波矢匹配，從而激發(fā)表面等離激元共振。常見的激發(fā)結(jié)構(gòu)包括棱鏡耦合結(jié)構(gòu)（如Kretschmann結(jié)構(gòu)和Otto結(jié)構(gòu)）、光柵耦合結(jié)構(gòu)和波導結(jié)構(gòu)等。在Kretschmann結(jié)構(gòu)中，金屬薄膜直接鍍在棱鏡表面，當入射光在金屬-棱鏡界面發(fā)生全反射時，全反射產(chǎn)生的消逝波有可能與表面等離激元波實現(xiàn)波矢匹配，進而將光的能量有效地傳遞給表面等離激元，激發(fā)表面等離激元共振。Otto結(jié)構(gòu)則是在具有高折射率的棱鏡和金屬之間設置一個狹小的狹縫，通過狹縫中的消逝波來激發(fā)表面等離激元，不過這種結(jié)構(gòu)在實際應用中由于狹縫寬度較小，使用相對不太方便。光柵耦合結(jié)構(gòu)是利用光柵引入一個額外的波矢量增量，以實現(xiàn)波矢匹配。通過精心設計光柵的周期、占空比等參數(shù)，可以精確地調(diào)控表面等離激元的激發(fā)條件，這種結(jié)構(gòu)在表面等離激元的激發(fā)和調(diào)控方面具有較高的靈活性和可設計性。波導結(jié)構(gòu)則是利用波導邊界處的消逝波來激發(fā)表面等離激元，使波導中的光場能量耦合到表面等離激元波中，例如常見的光纖表面等離激元傳感器就是基于這種原理設計的。表面等離激元共振受到多種因素的顯著影響。金屬材料的選擇是一個關鍵因素，不同的金屬具有不同的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)，從而導致其表面等離激元共振特性存在差異。金（Au）、銀（Ag）等貴金屬由于其良好的導電性和較低的損耗，在可見光和近紅外波段具有較強的表面等離激元共振響應，是常用的表面等離激元材料。而銅（Cu）、鋁（Al）等金屬雖然也能產(chǎn)生表面等離激元共振，但在某些波段可能存在較大的能量損耗，限制了其應用。金屬納米結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀對表面等離激元共振也有著至關重要的影響。對于金屬納米顆粒，其尺寸接近或小于入射光波長時，表面等離激元共振效應尤為顯著。隨著納米顆粒尺寸的增加，表面等離激元共振頻率會發(fā)生紅移，同時共振強度也會發(fā)生變化。納米顆粒的形狀更是豐富多樣，不同形狀的納米顆粒具有不同的表面電荷分布和電場分布，從而導致表面等離激元共振特性的顯著差異。例如，納米棒狀結(jié)構(gòu)由于其各向異性，在不同方向上具有不同的表面等離激元共振頻率，這種特性為實現(xiàn)多頻段表面等離激元共振提供了可能；而納米三角片、納米星等特殊形狀的納米結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生更強的局域場增強效應，在表面增強拉曼散射等領域具有重要應用。介質(zhì)環(huán)境的變化同樣會對表面等離激元共振產(chǎn)生影響。金屬周圍介質(zhì)的折射率改變會導致表面等離激元共振頻率發(fā)生相應的變化，這一特性使得表面等離激元共振在生物傳感、化學傳感等領域得到了廣泛應用。通過檢測表面等離激元共振頻率的變化，可以實現(xiàn)對周圍介質(zhì)中生物分子、化學物質(zhì)等的高靈敏度檢測。此外，溫度、壓力等外部條件的變化也可能對表面等離激元共振產(chǎn)生一定的影響，在實際應用中需要綜合考慮這些因素，以實現(xiàn)對表面等離激元共振特性的精確調(diào)控和有效應用。2.2金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)概述2.2.1結(jié)構(gòu)類型與特點金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出豐富多樣的結(jié)構(gòu)類型，每種結(jié)構(gòu)都具有獨特的幾何特征和物理性質(zhì)，這些特性使得它們在不同領域展現(xiàn)出潛在的應用價值。核殼結(jié)構(gòu)是一種常見的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)，其中一種材料作為核心，另一種材料則包覆在其表面形成外殼。這種結(jié)構(gòu)的特點在于，核與殼之間存在明顯的界面，通過精確控制殼層的厚度和成分，可以有效地調(diào)控復合納米結(jié)構(gòu)的性能。例如，以半導體納米顆粒為核，金屬為殼的結(jié)構(gòu)，如CdS@Au核殼納米結(jié)構(gòu)，半導體核可以提供光吸收和電荷產(chǎn)生的功能，而金屬殼則利用其表面等離激元共振效應，增強光的吸收和散射，提高電荷的分離和傳輸效率。這種結(jié)構(gòu)在光催化領域具有重要應用，由于金屬殼的表面等離激元共振，能夠?qū)⒐鈭鼍钟蛟诤藲そY(jié)構(gòu)表面，增強半導體對光的吸收，從而提高光催化反應的效率。在光催化分解水制氫反應中，CdS@Au核殼納米結(jié)構(gòu)可以利用表面等離激元共振增強的光吸收，產(chǎn)生更多的光生載流子，促進水的分解，提高氫氣的產(chǎn)率。異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是金屬與半導體在界面處緊密接觸形成的復合結(jié)構(gòu)，由于金屬和半導體的費米能級不同，在界面處會形成肖特基勢壘。這種結(jié)構(gòu)在電學和光學性質(zhì)上表現(xiàn)出獨特的特性，例如在光電探測器中，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以利用肖特基勢壘對光生載流子的分離作用，提高探測器的響應速度和靈敏度。以Au/n-Si異質(zhì)結(jié)為例，當光照射到異質(zhì)結(jié)上時，半導體Si吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，由于肖特基勢壘的存在，電子和空穴會被迅速分離，分別向金屬和半導體內(nèi)部移動，形成光電流，從而實現(xiàn)對光信號的探測。而且，通過調(diào)整金屬和半導體的種類以及界面的質(zhì)量，可以精確調(diào)控肖特基勢壘的高度和寬度，進而優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的電學和光學性能。合金結(jié)構(gòu)是金屬和半導體在原子尺度上均勻混合形成的固溶體結(jié)構(gòu)，其原子排列和電子結(jié)構(gòu)與單一的金屬或半導體有很大不同。這種結(jié)構(gòu)具有獨特的電學、光學和催化性能，例如在一些金屬-半導體合金納米結(jié)構(gòu)中，由于合金化效應，電子的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導致其光學吸收和發(fā)射特性與純金屬或半導體有明顯差異。在催化領域，合金結(jié)構(gòu)可以提供獨特的活性位點，改變催化反應的路徑和速率。以Cu-In-Se合金納米結(jié)構(gòu)在太陽能電池中的應用為例，通過精確控制合金中各元素的比例，可以調(diào)節(jié)其能帶結(jié)構(gòu)，使其更好地匹配太陽光譜，提高光吸收效率和光電轉(zhuǎn)換效率。復合材料結(jié)構(gòu)則是將金屬納米顆粒均勻分散在半導體基質(zhì)中形成的復合體系，這種結(jié)構(gòu)綜合了金屬和半導體的特性，并且可以通過控制金屬納米顆粒的尺寸、形狀和分布密度來調(diào)控復合材料的性能。在光電器件中，復合材料結(jié)構(gòu)可以利用金屬納米顆粒的表面等離激元共振效應增強光與半導體的相互作用，提高器件的性能。如在發(fā)光二極管中，將Au納米顆粒摻入GaN半導體基質(zhì)中，Au納米顆粒的表面等離激元共振可以增強GaN的發(fā)光效率，通過優(yōu)化Au納米顆粒的濃度和尺寸，可以實現(xiàn)發(fā)光效率的最大化。2.2.2常見制備方法金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的制備方法多種多樣，每種方法都有其獨特的原理、流程和優(yōu)缺點，適用于不同的應用場景和研究需求。化學合成法是制備金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的常用方法之一，其中溶膠-凝膠法通過金屬鹽和半導體前驅(qū)體在溶液中的水解和縮聚反應，形成溶膠，再經(jīng)過凝膠化、干燥和熱處理等過程，得到復合納米結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)點是制備過程相對簡單，能夠在較低溫度下進行，適合制備對溫度敏感的材料，并且可以精確控制材料的化學組成和微觀結(jié)構(gòu)。通過溶膠-凝膠法制備TiO?/Au復合納米結(jié)構(gòu)時，可以通過控制金屬鹽和半導體前驅(qū)體的比例，精確控制Au在TiO?中的含量和分布，從而實現(xiàn)對復合納米結(jié)構(gòu)性能的調(diào)控。然而，該方法也存在一些缺點，例如制備過程中需要使用大量的有機溶劑，可能會對環(huán)境造成污染，而且制備周期相對較長，產(chǎn)量較低，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。溶劑熱法是在高溫高壓的有機溶劑中，使金屬和半導體的前驅(qū)體發(fā)生化學反應，生成復合納米結(jié)構(gòu)。這種方法能夠提供特殊的反應環(huán)境，促進納米顆粒的成核和生長，有利于制備具有特定形貌和結(jié)構(gòu)的復合納米材料。通過溶劑熱法可以制備出具有均勻尺寸和良好分散性的ZnS/CdSe復合納米結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)反應溫度、時間和溶劑種類等條件，可以精確控制納米顆粒的尺寸、形狀和晶型。但是，溶劑熱法需要使用高溫高壓設備，對設備要求較高，實驗成本較大，且反應過程較為復雜，難以精確控制反應條件，可能導致產(chǎn)品質(zhì)量的一致性較差。物理氣相沉積法中的磁控濺射是在高真空環(huán)境下，利用等離子體中的離子轟擊靶材，使靶材表面的原子濺射出來，沉積在基底上形成薄膜或納米結(jié)構(gòu)。在制備金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)時，可以通過控制不同靶材的濺射時間和功率，精確控制金屬和半導體的沉積比例和厚度，從而實現(xiàn)對復合結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。這種方法制備的薄膜具有良好的附著力和均勻性，適合大規(guī)模制備。利用磁控濺射法制備的Al-ZnO復合納米薄膜，具有良好的導電性和光學透明性，在透明導電電極等領域具有潛在的應用價值。然而，磁控濺射設備昂貴，制備過程需要高真空環(huán)境，能耗較大，導致制備成本較高，而且該方法對設備的維護和操作要求較高，限制了其在一些研究和生產(chǎn)中的應用。分子束外延是一種在超高真空環(huán)境下，將原子或分子束蒸發(fā)到加熱的基底表面，通過精確控制原子或分子的蒸發(fā)速率和基底溫度，使原子或分子在基底表面逐層生長，形成高質(zhì)量的單晶薄膜或納米結(jié)構(gòu)的方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)原子級別的精確控制，制備出的復合納米結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的晶體質(zhì)量和界面質(zhì)量，在制備高性能的光電器件方面具有獨特的優(yōu)勢。利用分子束外延法可以制備出GaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在高速電子器件和光電器件中具有重要應用。但分子束外延設備極其昂貴，制備過程復雜，生長速度緩慢，產(chǎn)量極低，使得制備成本非常高，只有在對材料質(zhì)量要求極高的高端應用領域才具有實際應用價值。三、金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)特性調(diào)控方法3.1基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)控3.1.1納米顆粒尺寸與形狀納米顆粒的尺寸與形狀對基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)特性有著極為關鍵的影響，以金納米顆粒與二氧化鈦（TiO?）復合結(jié)構(gòu)為例，能清晰地展現(xiàn)出這種影響的內(nèi)在機制。金納米顆粒憑借其優(yōu)異的光學和電學性能，在表面等離激元共振領域備受關注。當金納米顆粒與TiO?復合時，金納米顆粒的尺寸變化會顯著改變表面等離激元共振的特性。隨著金納米顆粒尺寸的增大，其表面等離激元共振吸收峰會發(fā)生紅移。這是因為較大尺寸的金納米顆粒內(nèi)部自由電子數(shù)量增多，電子集體振蕩的慣性增大，使得共振頻率降低，從而導致吸收峰向長波長方向移動。在一些研究中，通過精確控制金納米顆粒的生長過程，制備出不同尺寸的金納米顆粒與TiO?復合結(jié)構(gòu)，利用紫外-可見分光光度計測量其光吸收光譜，發(fā)現(xiàn)當金納米顆粒尺寸從20nm增大到50nm時，表面等離激元共振吸收峰從520nm左右紅移至550nm左右。這種紅移現(xiàn)象不僅影響了復合結(jié)構(gòu)對光的吸收特性，還對其在光催化、光電轉(zhuǎn)換等領域的應用產(chǎn)生重要影響。在光催化反應中，紅移后的吸收峰能夠使復合結(jié)構(gòu)更有效地吸收長波長的光，拓展了光催化反應的光譜響應范圍，提高了光催化效率。金納米顆粒的形狀同樣對表面等離激元共振特性有著獨特的影響。不同形狀的金納米顆粒，如球形、棒形、三角形等，具有不同的表面電荷分布和電場分布，從而導致其表面等離激元共振特性存在顯著差異。以金納米棒為例，由于其各向異性的形狀，在長軸和短軸方向上具有不同的表面等離激元共振頻率，這種特性使得金納米棒-TiO?復合結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對多個波長光的吸收和利用。當金納米棒的長徑比發(fā)生變化時，其表面等離激元共振頻率也會相應改變。研究表明，隨著金納米棒長徑比的增大，其縱向表面等離激元共振吸收峰會逐漸紅移，而橫向吸收峰變化相對較小。在光電器件應用中，利用金納米棒的這種特性，可以設計出對特定波長光具有高靈敏度響應的光電探測器。通過調(diào)整金納米棒的長徑比和在TiO?中的分散狀態(tài)，使得復合結(jié)構(gòu)的縱向表面等離激元共振頻率與目標探測光的波長匹配，從而顯著提高光電探測器的響應率和探測靈敏度。此外，金納米顆粒的形狀還會影響其與TiO?之間的界面相互作用。例如，三角形金納米片由于其尖銳的邊角，能夠產(chǎn)生更強的局域場增強效應，這種增強效應可以促進光生載流子在金納米顆粒與TiO?之間的轉(zhuǎn)移和分離。在光催化分解水制氫反應中，三角形金納米片-TiO?復合結(jié)構(gòu)能夠利用這種局域場增強效應，增強光生載流子的產(chǎn)生和分離效率，從而提高氫氣的產(chǎn)率。3.1.2復合結(jié)構(gòu)的組成與比例復合結(jié)構(gòu)的組成與比例是調(diào)控基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)特性的重要因素，通過研究不同比例的銀-硫化鎘（Ag-CdS）復合納米結(jié)構(gòu)，可深入了解其對光吸收和光電轉(zhuǎn)換效率的影響。銀納米結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的表面等離激元共振特性，在增強光吸收和促進電荷轉(zhuǎn)移方面具有顯著優(yōu)勢。硫化鎘是一種重要的半導體材料，具有合適的禁帶寬度和良好的光電性能，在光電器件和光催化領域有著廣泛的應用。當銀與硫化鎘復合形成Ag-CdS復合納米結(jié)構(gòu)時，銀的表面等離激元共振效應與硫化鎘的半導體特性相互作用，使得復合結(jié)構(gòu)的光吸收和光電轉(zhuǎn)換性能發(fā)生顯著變化。在光吸收方面，隨著銀含量的增加，Ag-CdS復合納米結(jié)構(gòu)的光吸收能力逐漸增強。這是因為銀納米顆粒的表面等離激元共振能夠增強光的散射和吸收，將更多的光能量集中在復合結(jié)構(gòu)周圍，從而提高了硫化鎘對光的捕獲效率。通過調(diào)節(jié)銀納米顆粒的尺寸和在復合結(jié)構(gòu)中的比例，可以實現(xiàn)對光吸收峰位置和強度的精確調(diào)控。當銀納米顆粒的尺寸在一定范圍內(nèi)增大時，表面等離激元共振吸收峰紅移，使得復合結(jié)構(gòu)對長波長光的吸收增強；而增加銀的含量，則會使光吸收峰的強度進一步增大。研究表明，在特定的制備條件下，當銀在Ag-CdS復合納米結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量分數(shù)達到一定比例時，復合結(jié)構(gòu)在可見光范圍內(nèi)的光吸收效率比純硫化鎘提高了數(shù)倍。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，復合結(jié)構(gòu)的組成與比例同樣起著關鍵作用。合適的銀-硫化鎘比例能夠促進光生載流子的分離和傳輸，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。當銀納米顆粒與硫化鎘之間形成良好的界面接觸時，表面等離激元共振產(chǎn)生的熱載流子能夠迅速注入到硫化鎘中，減少了載流子的復合幾率。然而，如果銀的含量過高，過多的銀納米顆粒可能會成為載流子的復合中心，導致光電轉(zhuǎn)換效率下降。因此，需要通過精確控制復合結(jié)構(gòu)的組成與比例，找到最佳的性能平衡點。在一些實驗中，通過改變銀與硫化鎘的摩爾比，制備出一系列不同比例的Ag-CdS復合納米結(jié)構(gòu)，并將其應用于太陽能電池中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當銀與硫化鎘的摩爾比為某一特定值時，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達到最大值，比未復合銀的硫化鎘太陽能電池提高了20%-30%，這充分說明了合理調(diào)控復合結(jié)構(gòu)組成與比例對于提升光電轉(zhuǎn)換效率的重要性。3.2外部環(huán)境因素調(diào)控3.2.1溫度的影響溫度作為一個重要的外部環(huán)境因素，對基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)有著多方面的顯著影響。在金屬部分，溫度升高會導致金屬內(nèi)部電子的熱運動加劇。從微觀角度來看，電子的平均自由程減小，這使得電子在運動過程中與晶格原子的碰撞頻率增加。這種碰撞會導致電子的能量損失增加，進而影響金屬的電學和光學性質(zhì)。對于金屬的表面等離激元共振而言，電子熱運動的加劇會使得表面等離激元的能量損耗增大，導致共振峰的寬度增加，強度降低。研究表明，在金納米顆粒與二氧化鈦復合結(jié)構(gòu)中，當溫度從室溫升高到100℃時，金納米顆粒的表面等離激元共振吸收峰強度下降了約20%，峰寬增加了約10nm，這表明溫度升高對表面等離激元共振產(chǎn)生了明顯的抑制作用。在半導體部分，溫度的變化會對半導體的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。隨著溫度升高，半導體的禁帶寬度會略微減小。這是因為溫度升高會使半導體晶格的熱振動加劇，原子間的距離發(fā)生變化，從而導致電子的勢能分布改變，禁帶寬度減小。禁帶寬度的減小會使得半導體中的載流子（電子和空穴）更容易被激發(fā)，從而影響半導體的電學性能。當溫度升高時，半導體的電導率會增加，這是由于更多的電子從價帶激發(fā)到導帶，形成了更多的自由載流子。在硅半導體中，溫度每升高10℃，其電導率大約會增加7%。溫度還會對金屬與半導體之間的界面特性產(chǎn)生影響。在金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)中，金屬與半導體的界面是電荷轉(zhuǎn)移和相互作用的關鍵區(qū)域。溫度變化可能會導致界面處的原子擴散加劇，從而改變界面的化學成分和結(jié)構(gòu)。這種變化可能會影響界面處的肖特基勢壘高度和寬度，進而影響電荷在金屬與半導體之間的轉(zhuǎn)移效率。在一些金屬-硅復合結(jié)構(gòu)中，高溫處理會使金屬原子向硅中擴散，導致界面處的肖特基勢壘降低，電荷轉(zhuǎn)移更容易發(fā)生。然而，如果溫度過高，可能會導致界面處形成過多的缺陷和雜質(zhì)，反而阻礙電荷轉(zhuǎn)移，降低復合結(jié)構(gòu)的性能。3.2.2電場與磁場作用電場和磁場作為外部場，對基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的電子運動、電荷分布以及表面等離激元的激發(fā)和傳輸有著重要的調(diào)控作用。在電場作用下，金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)中的電子會受到電場力的作用而發(fā)生定向移動。對于金屬部分，電場會改變金屬表面的電荷分布，從而影響表面等離激元的激發(fā)和特性。當施加一個外部電場時，金屬表面的自由電子會在電場力的作用下重新分布，導致表面等離激元的共振頻率和場強發(fā)生變化。在一些研究中，通過在金屬納米顆粒周圍施加電場，發(fā)現(xiàn)表面等離激元共振吸收峰發(fā)生了明顯的移動。當電場強度為1V/m時，金納米顆粒的表面等離激元共振吸收峰紅移了約20nm，這表明電場可以有效地調(diào)控表面等離激元的共振特性。對于半導體部分，電場會影響半導體中的載流子輸運和復合過程。在半導體中，電場可以加速載流子的運動，增加載流子的遷移率。當電場強度增加時，電子和空穴在半導體中的漂移速度加快，這有助于提高半導體器件的響應速度。然而，電場也可能會導致載流子的復合幾率增加。當電場強度過高時，電子和空穴在運動過程中更容易相遇并復合，從而降低半導體的光電轉(zhuǎn)換效率。在一些半導體光電器件中，需要精確控制電場強度，以平衡載流子的輸運和復合，提高器件的性能。在磁場作用下，金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)中的電子會受到洛倫茲力的作用。對于金屬中的電子，洛倫茲力會使電子的運動軌跡發(fā)生彎曲，從而影響表面等離激元的激發(fā)和傳播。在一些實驗中，發(fā)現(xiàn)當施加磁場時，金屬表面等離激元的傳播方向會發(fā)生改變，并且共振頻率也會出現(xiàn)微小的變化。這是因為磁場改變了電子的運動狀態(tài)，進而影響了表面等離激元與電子的相互作用。對于半導體中的電子，磁場會對其能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，導致電子的能級發(fā)生分裂，即塞曼效應。這種能級分裂會改變半導體中載流子的分布和輸運特性。在一些磁性半導體中，磁場的作用可以顯著改變其電學和磁學性能。通過施加磁場，可以調(diào)控磁性半導體中的自旋極化電流，實現(xiàn)對半導體器件的磁性和電學性能的雙重調(diào)控。磁場還可以影響金屬與半導體界面處的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用，通過改變界面處的電子態(tài)分布，影響復合結(jié)構(gòu)的整體性能。3.3表面修飾與摻雜調(diào)控3.3.1表面修飾的作用機制在金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)表面修飾有機分子，對表面等離激元共振和界面電荷轉(zhuǎn)移有著深刻的影響。當有機分子修飾在金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)表面時，其分子結(jié)構(gòu)中的官能團會與金屬或半導體表面的原子發(fā)生相互作用，形成化學鍵或物理吸附。這種相互作用會改變金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)表面的電子云分布，進而影響表面等離激元共振的特性。以修飾有巰基苯胺的銀-氧化鋅（Ag-ZnO）復合納米結(jié)構(gòu)為例，巰基苯胺分子中的巰基（-SH）能夠與銀納米顆粒表面的銀原子形成強的化學吸附，通過這種化學吸附作用，巰基苯胺分子被固定在銀納米顆粒表面。由于巰基苯胺分子具有一定的共軛結(jié)構(gòu)，其電子云與銀納米顆粒表面的電子云發(fā)生耦合，從而改變了銀納米顆粒表面等離激元共振的頻率和強度。研究表明，修飾巰基苯胺后，Ag-ZnO復合納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元共振吸收峰發(fā)生了明顯的位移，并且吸收峰的強度也有所變化。這種變化是由于巰基苯胺分子的引入，改變了銀納米顆粒表面的電子密度和介電環(huán)境，使得表面等離激元共振的條件發(fā)生了改變。在界面電荷轉(zhuǎn)移方面，表面修飾的有機分子可以作為電荷轉(zhuǎn)移的橋梁，促進金屬與半導體之間的電荷轉(zhuǎn)移。在Ag-ZnO復合納米結(jié)構(gòu)中，當光激發(fā)產(chǎn)生表面等離激元共振時，銀納米顆粒表面會產(chǎn)生熱載流子（熱電子和熱空穴）。修飾的巰基苯胺分子可以通過其分子軌道與銀納米顆粒和氧化鋅之間的相互作用，引導熱載流子的轉(zhuǎn)移方向。具體來說，熱電子可以通過巰基苯胺分子的分子軌道從銀納米顆粒轉(zhuǎn)移到氧化鋅半導體中，而熱空穴則可以從氧化鋅半導體轉(zhuǎn)移到銀納米顆粒表面的巰基苯胺分子上。這種電荷轉(zhuǎn)移過程可以有效地分離光生載流子，減少載流子的復合幾率，從而提高復合納米結(jié)構(gòu)在光催化、光電轉(zhuǎn)換等應用中的性能。通過表面光電壓譜（SPS）等技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，修飾巰基苯胺后，Ag-ZnO復合納米結(jié)構(gòu)的表面光電壓明顯增強，這表明界面電荷轉(zhuǎn)移效率得到了提高，進一步證明了表面修飾的有機分子在促進電荷轉(zhuǎn)移方面的重要作用。3.3.2摻雜對特性的改變以硅基半導體摻雜金屬原子為例，摻雜種類和濃度的變化會對基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)的電學和光學特性產(chǎn)生顯著的改變。在電學特性方面，當硅基半導體中摻雜不同種類的金屬原子時，會引入不同的雜質(zhì)能級。以摻雜金（Au）原子和銅（Cu）原子為例，金原子的外層電子結(jié)構(gòu)與硅原子不同，摻雜后會在硅的禁帶中引入特定的雜質(zhì)能級。由于金原子的電子親和能較高，它傾向于捕獲硅中的電子，使得硅中電子濃度降低，從而改變硅的電學性質(zhì)，使其更偏向于p型半導體。而銅原子摻雜時，其雜質(zhì)能級位置和電子行為與金原子不同，銅原子可能會提供額外的電子，使硅的電子濃度增加，更偏向于n型半導體。通過霍爾效應測量可以發(fā)現(xiàn)，摻雜金原子的硅基半導體的載流子類型為p型，載流子濃度隨著金原子摻雜濃度的增加而逐漸降低；而摻雜銅原子的硅基半導體的載流子類型為n型，載流子濃度隨著銅原子摻雜濃度的增加而逐漸增加。在光學特性方面，摻雜金屬原子會影響硅基半導體的光吸收和發(fā)射特性。當硅基半導體中摻雜金屬原子后，由于雜質(zhì)能級的引入，會改變半導體對光的吸收和發(fā)射過程。在光吸收方面，摻雜后的硅基半導體可能會在新的波長范圍內(nèi)出現(xiàn)光吸收峰。以摻雜銀（Ag）原子的硅基半導體為例，由于銀原子的表面等離激元共振效應，在可見光范圍內(nèi)會出現(xiàn)新的光吸收峰，這是因為銀原子的表面等離激元共振與硅基半導體的光吸收過程發(fā)生了耦合。通過紫外-可見分光光度計測量發(fā)現(xiàn)，摻雜銀原子后，硅基半導體在400-500nm波長范圍內(nèi)的光吸收明顯增強，這為其在光電器件中的應用提供了新的可能性，如可以用于制備對特定波長光敏感的光電探測器。在光發(fā)射方面，摻雜金屬原子可能會影響硅基半導體的發(fā)光效率和發(fā)光波長。一些金屬原子的摻雜可以作為發(fā)光中心，改變半導體的發(fā)光機制。在硅基半導體中摻雜鉺（Er）原子時，鉺原子可以在近紅外波段產(chǎn)生特征發(fā)光。這是因為鉺原子的電子能級結(jié)構(gòu)在近紅外區(qū)域有特定的躍遷，摻雜后這些躍遷可以在硅基半導體中得以實現(xiàn)，從而使硅基半導體在近紅外波段發(fā)光。通過熒光光譜儀測量發(fā)現(xiàn)，摻雜鉺原子的硅基半導體在1530nm左右出現(xiàn)明顯的熒光發(fā)射峰，且發(fā)光強度隨著鉺原子摻雜濃度的增加先增大后減小，這表明摻雜濃度對光發(fā)射特性有著重要的影響，需要精確控制摻雜濃度以獲得最佳的發(fā)光性能。四、特性調(diào)控對金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)性能的影響4.1光學性能優(yōu)化4.1.1光吸收與發(fā)射特性改善以金-氧化鋅復合納米結(jié)構(gòu)為例，其光吸收與發(fā)射特性的改善展現(xiàn)出特性調(diào)控在優(yōu)化金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)光學性能方面的顯著效果。在光吸收特性方面，金納米顆粒與氧化鋅半導體復合后，金納米顆粒的表面等離激元共振效應能夠顯著增強復合結(jié)構(gòu)對光的吸收能力。當光照射到金-氧化鋅復合納米結(jié)構(gòu)時，金納米顆粒表面的自由電子在光的電磁場作用下發(fā)生集體振蕩，形成表面等離激元共振。這種共振使得金納米顆粒表面的電磁場增強，從而將更多的光能量集中在其周圍，增加了氧化鋅對光的捕獲效率。通過對金納米顆粒的尺寸和形狀進行調(diào)控，可以實現(xiàn)對復合結(jié)構(gòu)光吸收范圍和強度的精確調(diào)節(jié)。當金納米顆粒的尺寸增大時，其表面等離激元共振吸收峰會發(fā)生紅移，使得復合結(jié)構(gòu)能夠吸收更長波長的光。當金納米顆粒的尺寸從30nm增大到50nm時，表面等離激元共振吸收峰從520nm左右紅移至550nm左右，這使得復合結(jié)構(gòu)在近紅外波段的光吸收能力增強，拓寬了其在光催化、光電轉(zhuǎn)換等領域的應用范圍。而改變金納米顆粒的形狀，如從球形變?yōu)榘粜?，由于其各向異性，會在不同方向上產(chǎn)生不同的表面等離激元共振頻率，從而實現(xiàn)對多個波長光的吸收，進一步拓展了復合結(jié)構(gòu)的光吸收范圍。在光發(fā)射特性方面，金-氧化鋅復合納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元共振對光發(fā)射效率和波長也有著重要影響。表面等離激元共振能夠增強光發(fā)射效率，這是因為表面等離激元共振產(chǎn)生的局域場增強效應可以促進光生載流子在金納米顆粒與氧化鋅之間的轉(zhuǎn)移和復合。當氧化鋅中的光生載流子與金納米顆粒表面的等離激元相互作用時，等離激元的局域場可以增強光生載流子的輻射復合幾率，從而提高光發(fā)射效率。研究表明，與純氧化鋅相比，金-氧化鋅復合納米結(jié)構(gòu)的光發(fā)射效率可以提高數(shù)倍。表面等離激元共振還可以對光發(fā)射波長產(chǎn)生影響。由于金納米顆粒與氧化鋅之間的界面相互作用，以及表面等離激元共振導致的電子態(tài)變化，復合結(jié)構(gòu)的光發(fā)射波長可能會發(fā)生一定程度的位移。在一些研究中，發(fā)現(xiàn)金-氧化鋅復合納米結(jié)構(gòu)的光發(fā)射波長相較于純氧化鋅發(fā)生了藍移或紅移，具體的位移方向和程度取決于金納米顆粒的尺寸、形狀以及復合結(jié)構(gòu)的制備工藝等因素。這種對光發(fā)射波長的調(diào)控能力，使得金-氧化鋅復合納米結(jié)構(gòu)在發(fā)光二極管、熒光傳感器等光電器件中具有潛在的應用價值，可以通過精確調(diào)控表面等離激元共振特性，實現(xiàn)對發(fā)光波長的精確控制，滿足不同應用場景的需求。4.1.2表面增強拉曼散射效應增強表面增強拉曼散射（Surface-EnhancedRamanScattering，SERS）作為一種強大的光譜分析技術(shù)，能夠檢測和分析分子在固體表面的振動模式，為研究分子結(jié)構(gòu)和相互作用提供了重要手段。等離激元納米材料因其獨特的電磁場和電荷轉(zhuǎn)移調(diào)控特性，在SERS領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。等離激元納米材料在SERS中的應用主要基于其能夠顯著增強拉曼信號，提高檢測靈敏度的特性。當光照射到等離激元納米材料表面時，由于表面等離激元共振效應，會在材料表面產(chǎn)生強烈的電磁場。這種強電磁場可以增強分子的拉曼散射信號，從而使原本微弱的拉曼信號得以放大，實現(xiàn)對分子的高靈敏度檢測。以銀納米顆粒為例，其表面等離激元共振能夠使周圍分子的拉曼信號增強10?-101?倍，使得SERS技術(shù)能夠檢測到極低濃度的分子，在生物檢測、環(huán)境監(jiān)測等領域具有重要應用價值。電磁場調(diào)控是增強拉曼信號的關鍵因素之一。通過精確控制等離激元納米材料的形狀、尺寸和排列方式，可以有效地調(diào)控其表面的電磁場強度和分布。納米顆粒的聚集狀態(tài)會形成“熱點”區(qū)域，在這些熱點處電磁場強度會顯著增強，從而極大地增強拉曼信號。研究表明，當銀納米顆粒形成二聚體或多聚體結(jié)構(gòu)時，在顆粒之間的間隙處會產(chǎn)生強烈的電磁場增強，使得位于該區(qū)域的分子的拉曼信號得到極大增強。通過調(diào)整納米顆粒之間的間距和相對位置，可以精確調(diào)控電磁場的分布，進一步提高拉曼信號的增強效果。電荷轉(zhuǎn)移調(diào)控也對SERS效應有著重要影響。等離激元納米材料中的電荷轉(zhuǎn)移過程可以改變分子的電子云分布，從而影響分子的拉曼散射過程。通過引入缺陷、摻雜或其他化學修飾方法，可以改變納米材料的電子結(jié)構(gòu)和能級，實現(xiàn)對電荷轉(zhuǎn)移的調(diào)控。在金納米顆粒表面修飾特定的有機分子，這些分子與金納米顆粒之間的電荷轉(zhuǎn)移可以改變分子的振動模式，進而增強其拉曼信號。這種電荷轉(zhuǎn)移調(diào)控不僅可以增強拉曼信號，還可以提高檢測分辨率，使得SERS技術(shù)能夠區(qū)分不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的分子。在實際應用中，等離激元納米材料在SERS中的應用還可以拓展到生物檢測和成像領域。通過將生物分子與等離激元納米材料結(jié)合，可以利用SERS技術(shù)對生物分子進行高靈敏度、高分辨率的檢測和成像。將抗體修飾在銀納米顆粒表面，制備出免疫SERS探針，用于檢測特定的生物標志物。由于表面等離激元共振增強的拉曼信號，這種免疫SERS探針能夠檢測到極低濃度的生物標志物，為疾病的早期診斷提供了有力的技術(shù)支持。等離激元納米材料還可以用于細胞成像，通過標記細胞內(nèi)的特定分子，利用SERS技術(shù)實現(xiàn)對細胞內(nèi)分子的高分辨率成像，有助于深入研究細胞的生理過程和病理機制。4.2電學性能提升4.2.1載流子傳輸與遷移率變化在銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池中，金屬納米顆粒與半導體復合結(jié)構(gòu)對載流子傳輸路徑和遷移率產(chǎn)生著顯著影響。CIGS太陽能電池作為一種高效的薄膜太陽能電池，其核心部分是由銅、銦、鎵、硒等元素組成的半導體吸收層，該吸收層能夠有效地吸收太陽光并產(chǎn)生光生載流子。當在CIGS半導體中引入金屬納米顆粒形成復合結(jié)構(gòu)時，表面等離激元共振效應會對載流子的傳輸和遷移過程產(chǎn)生重要作用。從載流子傳輸路徑來看，金屬納米顆粒的引入改變了光生載流子的產(chǎn)生和傳輸方式。當光照射到CIGS太陽能電池時，CIGS半導體吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對。在傳統(tǒng)的CIGS太陽能電池中，光生載流子主要在半導體內(nèi)部進行傳輸。而引入金屬納米顆粒后，由于表面等離激元共振效應，金屬納米顆粒表面的電磁場增強，能夠?qū)⒏嗟墓饽芰考性谄渲車瑥亩黾恿薈IGS半導體對光的吸收，產(chǎn)生更多的光生載流子。這些光生載流子在金屬納米顆粒與CIGS半導體的界面處會發(fā)生復雜的相互作用。一方面，表面等離激元共振產(chǎn)生的熱載流子可以注入到CIGS半導體中，為載流子傳輸提供了新的路徑。研究表明，在一些CIGS/Ag復合結(jié)構(gòu)中，Ag納米顆粒表面等離激元共振產(chǎn)生的熱電子能夠快速注入到CIGS半導體中，并且在半導體中沿著特定的方向傳輸，從而增加了載流子的傳輸距離和收集效率。另一方面，金屬納米顆粒與CIGS半導體之間的界面可能會成為載流子的散射中心或復合中心，影響載流子的傳輸路徑。如果界面質(zhì)量不佳，存在較多的缺陷和雜質(zhì)，載流子在界面處的散射幾率會增加，導致載流子的傳輸方向發(fā)生改變，降低載流子的收集效率。因此，優(yōu)化金屬納米顆粒與CIGS半導體之間的界面質(zhì)量，減少界面缺陷，對于改善載流子傳輸路徑至關重要。在載流子遷移率方面，特性調(diào)控對CIGS太陽能電池中載流子遷移率的影響較為復雜。一方面，金屬納米顆粒的表面等離激元共振可以增強光生載流子的產(chǎn)生，使得載流子濃度增加。根據(jù)半導體物理理論，在一定范圍內(nèi)，載流子濃度的增加可能會導致載流子遷移率的下降，這是因為載流子之間的散射作用增強。然而，另一方面，表面等離激元共振效應也可能會改善載流子的遷移率。當金屬納米顆粒與CIGS半導體形成良好的界面接觸時，表面等離激元共振產(chǎn)生的局域場可以改變半導體內(nèi)部的電場分布，從而影響載流子的遷移率。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，通過精確控制金屬納米顆粒的尺寸和在CIGS半導體中的分布，使得表面等離激元共振產(chǎn)生的局域場能夠有效地促進載流子的遷移，提高載流子遷移率。當Ag納米顆粒的尺寸在特定范圍內(nèi)時，其表面等離激元共振產(chǎn)生的局域場可以減小CIGS半導體中載流子的散射幾率，使得載流子遷移率提高了10%-20%。這種載流子遷移率的提高有助于提高CIGS太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，因為更高的載流子遷移率意味著光生載流子能夠更快速地傳輸?shù)诫姌O，減少載流子的復合，從而提高光電流和光電轉(zhuǎn)換效率。4.2.2肖特基結(jié)特性優(yōu)化肖特基結(jié)在金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)中具有重要作用，其特性的優(yōu)化對于提升復合結(jié)構(gòu)的電學性能至關重要。以金-二氧化鈦（Au-TiO?）肖特基結(jié)為例，特性調(diào)控對肖特基結(jié)勢壘高度、寬度和整流特性產(chǎn)生著顯著影響。肖特基結(jié)的勢壘高度是決定其電學性能的關鍵參數(shù)之一。在Au-TiO?肖特基結(jié)中，金屬金與半導體二氧化鈦的功函數(shù)不同，當它們接觸時，電子會從功函數(shù)較小的半導體TiO?流向功函數(shù)較大的金屬Au，在界面處形成肖特基勢壘。通過特性調(diào)控，可以有效地改變肖特基結(jié)的勢壘高度。表面修飾是一種常用的調(diào)控方法，在Au-TiO?肖特基結(jié)表面修飾特定的有機分子或引入雜質(zhì)原子，可以改變界面處的電子云分布，從而影響肖特基勢壘高度。當在Au-TiO?肖特基結(jié)表面修飾具有電子給體性質(zhì)的有機分子時，有機分子的電子會向TiO?半導體轉(zhuǎn)移，使得TiO?的費米能級升高，從而降低了肖特基結(jié)的勢壘高度。研究表明，通過表面修飾，Au-TiO?肖特基結(jié)的勢壘高度可以降低0.1-0.2eV，這使得電子更容易越過勢壘，提高了載流子的注入效率，有利于增強肖特基結(jié)在電子器件中的性能，如在光電探測器中，可以提高探測器的響應率。肖特基結(jié)的勢壘寬度也會受到特性調(diào)控的影響。勢壘寬度與半導體的摻雜濃度、肖特基勢壘高度等因素有關。在Au-TiO?肖特基結(jié)中，通過改變TiO?半導體的摻雜濃度，可以調(diào)整肖特基結(jié)的勢壘寬度。當增加TiO?半導體的摻雜濃度時，空間電荷區(qū)中的載流子濃度增加，根據(jù)泊松方程，勢壘寬度會減小。這種勢壘寬度的變化會影響載流子的輸運特性。較窄的勢壘寬度有利于載流子的隧穿，當勢壘寬度減小到一定程度時，載流子可以通過量子隧穿效應更容易地越過肖特基勢壘，從而增加了電流傳輸效率。在一些研究中，通過精確控制TiO?半導體的摻雜濃度，使得Au-TiO?肖特基結(jié)的勢壘寬度減小了約20%，載流子的隧穿幾率增加，電流傳輸效率提高了30%-40%，這在一些高速電子器件中具有重要應用價值，能夠提高器件的工作速度和響應性能。整流特性是肖特基結(jié)的重要電學特性之一，特性調(diào)控可以有效地優(yōu)化Au-TiO?肖特基結(jié)的整流特性。肖特基結(jié)的整流特性源于其單向?qū)щ娦阅埽谡蚱珘合?，勢壘降低，載流子容易通過；在反向偏壓下，勢壘升高，載流子不易通過。通過特性調(diào)控，可以改善肖特基結(jié)的整流比（正向電流與反向電流之比）。在Au-TiO?肖特基結(jié)中，通過優(yōu)化金屬與半導體之間的界面質(zhì)量，減少界面缺陷和雜質(zhì)，可以降低反向電流，提高整流比。當采用先進的制備工藝，如分子束外延技術(shù)，制備高質(zhì)量的Au-TiO?肖特基結(jié)時，界面缺陷明顯減少，反向電流降低了一個數(shù)量級以上，整流比顯著提高。這種整流特性的優(yōu)化使得Au-TiO?肖特基結(jié)在整流器、開關等電子器件中具有更好的性能表現(xiàn)，能夠提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，減少能量損耗。4.3催化性能增強4.3.1光催化活性提高以銀-二氧化鈦復合納米結(jié)構(gòu)降解有機污染物為例，其光催化活性的提高與特性調(diào)控對光生載流子分離效率和壽命的影響密切相關。在光催化降解有機污染物的過程中，光生載流子的產(chǎn)生、分離和復合是影響光催化活性的關鍵因素。當光照射到銀-二氧化鈦復合納米結(jié)構(gòu)時，二氧化鈦半導體吸收光子能量，產(chǎn)生電子-空穴對。然而，在傳統(tǒng)的二氧化鈦光催化劑中，光生電子和空穴容易發(fā)生復合，導致光催化效率較低。當引入銀納米顆粒形成復合結(jié)構(gòu)后，銀納米顆粒的表面等離激元共振效應發(fā)揮了重要作用。表面等離激元共振能夠增強光的吸收，使更多的光子被二氧化鈦吸收，從而產(chǎn)生更多的光生載流子。銀納米顆粒與二氧化鈦之間的界面相互作用，為光生載流子的分離提供了新的途徑。表面等離激元共振產(chǎn)生的熱載流子可以迅速注入到二氧化鈦中，從而有效地分離光生電子和空穴，減少它們的復合幾率。研究表明，在銀-二氧化鈦復合納米結(jié)構(gòu)中，光生載流子的分離效率比純二氧化鈦提高了30%-50%。特性調(diào)控還對光生載流子的壽命產(chǎn)生影響。在銀-二氧化鈦復合納米結(jié)構(gòu)中，由于表面等離激元共振的存在，光生載流子的壽命得到顯著延長。這是因為表面等離激元共振產(chǎn)生的局域場可以抑制光生載流子的復合，使光生載流子有更多的時間參與光催化反應。通過時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）等技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，銀-二氧化鈦復合納米結(jié)構(gòu)中光生載流子的壽命比純二氧化鈦延長了1-2個數(shù)量級。這種光生載流子壽命的延長，使得光生載流子能夠更有效地與有機污染物發(fā)生反應，從而提高了光催化降解有機污染物的效率。在降解甲基橙等有機污染物的實驗中，銀-二氧化鈦復合納米結(jié)構(gòu)在相同光照條件下，對甲基橙的降解速率比純二氧化鈦提高了2-3倍，表明特性調(diào)控對光生載流子分離效率和壽命的影響，顯著增強了銀-二氧化鈦復合納米結(jié)構(gòu)的光催化活性，為有機污染物的高效降解提供了新的途徑。4.3.2電催化性能優(yōu)化金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)在析氫反應中展現(xiàn)出重要的應用潛力，結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)調(diào)控對其電催化活性和穩(wěn)定性的優(yōu)化起著關鍵作用。在析氫反應中，金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)作為電極材料，其性能直接影響析氫反應的效率和穩(wěn)定性。從結(jié)構(gòu)調(diào)控方面來看，不同的復合結(jié)構(gòu)對電催化活性有著顯著影響。以鉑-硫化鎘（Pt-CdS）復合納米結(jié)構(gòu)為例，核殼結(jié)構(gòu)的Pt-CdS復合納米結(jié)構(gòu)中，CdS作為內(nèi)核，提供了良好的光吸收性能，而Pt作為外殼，利用其優(yōu)異的催化活性，為析氫反應提供了活性位點。這種結(jié)構(gòu)能夠有效地促進光生載流子的分離和傳輸，提高析氫反應的效率。研究表明，核殼結(jié)構(gòu)的Pt-CdS復合納米結(jié)構(gòu)在光照條件下的析氫速率比單一的CdS納米結(jié)構(gòu)提高了5-8倍。而異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的Pt-CdS復合納米結(jié)構(gòu)，通過Pt與CdS之間形成的肖特基結(jié)，能夠有效地調(diào)控載流子的輸運和轉(zhuǎn)移，增強電催化活性。在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，肖特基結(jié)的存在使得光生電子更容易從CdS轉(zhuǎn)移到Pt表面，從而促進析氫反應的進行。實驗結(jié)果顯示，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的Pt-CdS復合納米結(jié)構(gòu)在析氫反應中的過電位比單一的CdS納米結(jié)構(gòu)降低了約0.2V，表明其電催化活性得到了顯著提高。表面性質(zhì)調(diào)控同樣對電催化性能有著重要影響。表面修飾是一種常用的表面性質(zhì)調(diào)控方法，在Pt-CdS復合納米結(jié)構(gòu)表面修飾特定的有機分子或引入雜質(zhì)原子，可以改變表面的電子云分布和化學活性，從而優(yōu)化電催化性能。當在Pt-CdS復合納米結(jié)構(gòu)表面修飾具有電子給體性質(zhì)的有機分子時，有機分子的電子會向復合結(jié)構(gòu)表面轉(zhuǎn)移，改變表面的電荷分布，降低析氫反應的活化能，提高電催化活性。研究發(fā)現(xiàn)，修飾后的Pt-CdS復合納米結(jié)構(gòu)在析氫反應中的交換電流密度比未修飾的提高了1-2個數(shù)量級，表明其電催化活性得到了大幅提升。摻雜也是一種有效的表面性質(zhì)調(diào)控手段，通過在復合納米結(jié)構(gòu)中摻雜特定的元素，可以引入新的活性位點，改善表面的催化性能。在Pt-CdS復合納米結(jié)構(gòu)中摻雜少量的鉬（Mo）元素，鉬原子可以作為析氫反應的活性位點，提高析氫反應的速率和穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，摻雜鉬的Pt-CdS復合納米結(jié)構(gòu)在長時間的析氫反應測試中，其析氫速率保持穩(wěn)定，且比未摻雜的復合納米結(jié)構(gòu)提高了30%-50%，顯示出良好的電催化穩(wěn)定性和活性。五、應用案例分析5.1在光電探測器中的應用5.1.1寬譜響應光電探測器太原理工大學的科研團隊在寬譜響應光電探測器領域取得了重要進展，他們設計的基于Au/TiO?復合納米結(jié)構(gòu)的熱電子光電探測器展現(xiàn)出優(yōu)異的寬譜響應性能。該探測器的結(jié)構(gòu)設計獨具匠心，由Au納米顆粒（AuNPs）與頂層保形Au膜（Au-film）共同組成表面等離激元納米結(jié)構(gòu)，作為感光元件，與具有凹凸納米結(jié)構(gòu)的TiO?薄膜和FTO（Fluorine-dopedTinOxide）襯底共同構(gòu)建了結(jié)構(gòu)為FTO/TiO?/AuNPs/Au-film的熱電子光電探測器。其中，AuNPs/Au-film結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生和發(fā)射熱電子的關鍵部分，半導體TiO?則負責接收和傳輸熱電子。由于Au與TiO?兩者的能級差為0.9eV，從而在界面處形成了肖特基結(jié)，這種肖特基結(jié)的存在對探測器的性能有著重要影響。從性能表現(xiàn)來看，該探測器在多個方面展現(xiàn)出優(yōu)勢。在光吸收特性方面，使用紫外可見分光度計（AgilentCary5000）對器件的光吸收譜進行表征，結(jié)果表明，器件在400-900nm波段內(nèi)具有寬譜光吸收特性，平均光吸收效率達到33.84%。這種寬譜光吸收特性使得探測器能夠捕獲更廣泛波長范圍的光信號，為其在寬譜響應方面奠定了基礎。在光電響應性能方面，通過半導體分析儀（AgilentB1500A）測量獲得的響應率、外量子效率以及線性動態(tài)范圍均呈現(xiàn)寬譜響應特征。在600nm照射條件下，響應率、外量子效率達到峰值，分別為9.67μA/W、0.002%。雖然外量子效率相對較低，主要是由于熱退火形成的AuNPs尺寸較大，不利于熱載流子的激發(fā)；Au-TiO?界面處形成的肖特基勢壘在減小暗電流的同時也降低了熱載流子的注入效率；外加偏置電壓為0V的條件下，TiO?薄膜的導電率較低，進一步阻礙了熱電子的傳輸。但整體而言，其寬譜響應的特性依然具有重要意義。器件的線性動態(tài)范圍為60dB，這使得探測器能夠在不同光強條件下準確地響應光信號，適應多種應用場景。該探測器在響應速度方面也有出色表現(xiàn)。通過半導體分析儀（AgilentB1500A）測試，器件在850nm光照條件下的上升與下降響應速度分別為1.6ms和1.5ms，且在375-850nm波段內(nèi)的上升與下降響應速度平穩(wěn)地分布在1.5-1.8ms之間。這種快速的響應速度使得探測器能夠快速捕捉和處理光信號，滿足高速光通信和圖像傳感等領域?qū)焖夙憫男枨?。在特性調(diào)控對寬譜響應的作用方面，探測器中各功能層對其光電響應性能至關重要。研究發(fā)現(xiàn)，TiO?膜厚度（tTiO?）、頂層保形Au膜厚度（tAu）以及形成AuNPs的名義Au膜厚度（tn-Au）變化對器件瞬態(tài)光電流和光吸收性能有顯著影響。當TiO?膜厚度從15nm增加到90nm時，器件的瞬態(tài)光電流呈現(xiàn)出先增加后減弱的趨勢，當tTiO?=20nm時，瞬態(tài)光電流達到峰值15.8nA，對應器件的平均光吸收效率也呈先增加后減弱的趨勢。通過對這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確調(diào)控，可以優(yōu)化探測器的光吸收和光電響應性能，進一步拓展其寬譜響應的優(yōu)勢，為其在實際應用中的性能提升提供了重要的調(diào)控手段。5.1.2高靈敏度光電探測器金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)特性調(diào)控在提高光電探測器靈敏度和響應速度方面有著廣泛的應用。在提高靈敏度方面，通過引入表面等離激元共振效應，能夠顯著增強光與探測器材料的相互作用。當光照射到金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)時，金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元共振可以增強光的吸收，將更多的光能量集中在探測器材料周圍，從而增加光生載流子的產(chǎn)生效率。在金-硅復合納米結(jié)構(gòu)的光電探測器中，金納米顆粒的表面等離激元共振能夠使硅吸收更多的光子，產(chǎn)生更多的電子-空穴對，從而提高探測器的靈敏度。研究表明，與純硅光電探測器相比，引入金納米顆粒后，探測器的靈敏度可以提高數(shù)倍。表面等離激元共振還可以促進光生載流子的分離和傳輸，減少載流子的復合幾率，進一步提高探測器的靈敏度。在一些金屬-半導體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的光電探測器中，表面等離激元共振產(chǎn)生的熱載流子能夠快速注入到半導體中，并且在半導體中沿著特定的方向傳輸，從而增加了載流子的收集效率。在銀-氧化鋅異質(zhì)結(jié)光電探測器中，銀納米顆粒的表面等離激元共振使得光生電子能夠迅速從氧化鋅轉(zhuǎn)移到銀納米顆粒上，減少了電子與空穴的復合，提高了探測器的靈敏度。在提高響應速度方面，金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)特性調(diào)控同樣發(fā)揮著重要作用。通過優(yōu)化復合納米結(jié)構(gòu)的組成和界面特性，可以改善載流子的輸運特性，從而提高探測器的響應速度。在一些研究中，通過精確控制金屬與半導體之間的界面質(zhì)量，減少界面缺陷和雜質(zhì)，能夠降低載流子在界面處的散射幾率，使載流子能夠更快速地傳輸，提高探測器的響應速度。在銅-硒化鎘復合納米結(jié)構(gòu)的光電探測器中，通過采用先進的制備工藝，如分子束外延技術(shù)，制備高質(zhì)量的復合結(jié)構(gòu)，減少了界面缺陷，使得載流子的傳輸速度提高，探測器的響應速度比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了一個數(shù)量級以上。表面等離激元共振還可以改變探測器的能帶結(jié)構(gòu)，從而影響載流子的激發(fā)和傳輸過程，提高響應速度。在一些具有特殊結(jié)構(gòu)的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)中，表面等離激元共振產(chǎn)生的局域場可以改變半導體的能帶結(jié)構(gòu)，使載流子更容易被激發(fā)和傳輸。在一些基于納米棒結(jié)構(gòu)的金屬半導體復合光電探測器中，納米棒的表面等離激元共振使得半導體的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，載流子的激發(fā)和傳輸效率提高，探測器的響應速度得到顯著提升。5.2在太陽能電池中的應用5.2.1等離激元增強型太陽能電池石河子大學理學院光電新能源材料研究團隊在等離激元增強型太陽能電池領域取得了顯著進展，為提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提供了新的思路和方法。該團隊針對常用的光電轉(zhuǎn)換半導體材料存在吸收譜與太陽光譜匹配度低、光譜范圍窄等難題，經(jīng)過多年探索，創(chuàng)新性地在體系中引入貴金屬納米粒子。利用貴金屬納米材料局域表面等離子體共振（LSPR）吸收峰與其形貌、結(jié)構(gòu)、組分等的密切相關性，設計并合成了具有不同形貌、結(jié)構(gòu)和組分的貴金屬納米材料。通過精確調(diào)控這些因素，實現(xiàn)了對太陽光譜的精準可調(diào)控吸收，從而有效提升了光電轉(zhuǎn)換效率。在形貌方面，團隊合成了球形、三角板等不同形狀的貴金屬納米粒子。球形納米粒子具有各向同性的特點，其表面等離激元共振吸收峰相對較窄且穩(wěn)定；而三角板形納米粒子由于其獨特的幾何形狀，在邊角處會產(chǎn)生更強的局域場增強效應，從而拓寬了光吸收范圍，并且能夠增強光與半導體材料的相互作用。研究表明，在相同的實驗條件下，三角板形Au納米粒子修飾的太陽能電池對太陽光的吸收效率比球形Au納米粒子修飾的電池提高了15%-20%，這是因為三角板形納米粒子的邊角處能夠產(chǎn)生更強的表面等離激元共振，將更多的光能量集中在半導體材料表面，促進了光生載流子的產(chǎn)生。在結(jié)構(gòu)方面，團隊制備了核殼、鏈狀、中空等不同結(jié)構(gòu)的貴金屬納米材料。核殼結(jié)構(gòu)的納米材料可以通過選擇不同的核和殼材料，實現(xiàn)對表面等離激元共振特性的精確調(diào)控。以Au@Ag核殼納米結(jié)構(gòu)為例，Au核提供了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)支撐，而Ag殼則利用其在可見光波段優(yōu)異的表面等離激元共振特性，增強了對太陽光的吸收。實驗結(jié)果顯示，含有Au@Ag核殼納米結(jié)構(gòu)的太陽能電池在可見光范圍內(nèi)的光吸收效率比單一的Au或Ag納米粒子修飾的電池提高了30%-40%。鏈狀結(jié)構(gòu)的納米材料則能夠形成連續(xù)的電子傳輸通道，有利于光生載流子的快速傳輸，減少載流子的復合幾率。中空結(jié)構(gòu)的納米材料由于其內(nèi)部空心的特點，具有較大的比表面積，能夠增加光在納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部的散射和吸收，從而提高光的利用效率。研究發(fā)現(xiàn)，中空結(jié)構(gòu)的貴金屬納米粒子修飾的太陽能電池在近紅外波段的光吸收效率顯著提高，這為利用太陽光譜中的近紅外光提供了有效的途徑。在組分方面，團隊研究了Au、Ag、Au-Ag合金等不同組分的貴金屬納米材料對太陽能電池性能的影響。Au納米粒子在近紅外波段具有較強的表面等離激元共振吸收，而Ag納米粒子在可見光波段表現(xiàn)出色。通過制備Au-Ag合金納米粒子，可以實現(xiàn)對不同波長光的協(xié)同吸收，拓寬太陽能電池的光譜響應范圍。實驗數(shù)據(jù)表明，當Au-Ag合金納米粒子中Au和Ag的比例為某一特定值時，太陽能電池在可見光和近紅外波段的綜合光吸收效率達到最大值，比單一的Au或Ag納米粒子修飾的電池提高了50%-60%，這表明通過合理調(diào)控合金組分，可以優(yōu)化太陽能電池對太陽光譜的吸收，提高光電轉(zhuǎn)換效率。該團隊將研究成果應用于光解水制氫和太陽能光伏電池。在光解水制氫方面，表面等離激元共振增強的光吸收能夠產(chǎn)生更多的光生載流子，促進水的分解，提高氫氣的產(chǎn)率。在太陽能光伏電池中，通過深入挖掘等離激元介導的各種效應，大大改善了半導體光生電子的分離及轉(zhuǎn)化效率。與傳統(tǒng)的太陽能光伏電池相比，基于該團隊研究成果制備的電池光電轉(zhuǎn)換效率提高了20%-30%，這一提升在實際應用中具有重要意義，能夠降低太陽能發(fā)電的成本，提高太陽能的利用效率，推動太陽能能源的廣泛應用。5.2.2新型結(jié)構(gòu)太陽能電池探索金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)特性調(diào)控在開發(fā)新型結(jié)構(gòu)太陽能電池方面展現(xiàn)出巨大的潛力和廣闊的應用前景。通過對復合納米結(jié)構(gòu)的精心設計和特性調(diào)控，可以實現(xiàn)對光的高效捕獲、電荷的快速分離和傳輸，從而提高太陽能電池的性能。在新型結(jié)構(gòu)設計方面，一些研究嘗試構(gòu)建具有獨特幾何形狀和層次結(jié)構(gòu)的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)。例如，設計三維樹形結(jié)構(gòu)的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，能夠增加光與材料的接觸面積，提高光的捕獲效率。樹枝狀的金屬納米結(jié)構(gòu)可以作為光散射中心，將入射光多次散射，延長光在材料內(nèi)部的傳播路徑，從而增加光的吸收。研究表明，這種三維樹形結(jié)構(gòu)的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)在太陽能電池中的應用，使得光吸收效率比傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)提高了40%-50%。而且，樹形結(jié)構(gòu)中的半導體部分可以形成連續(xù)的電荷傳輸通道，有利于光生載流子的快速傳輸，減少載流子的復合幾率。實驗結(jié)果顯示，基于三維樹形結(jié)構(gòu)的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了15%-20%，展現(xiàn)出新型結(jié)構(gòu)在提高太陽能電池性能方面的優(yōu)勢。核殼異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也是一種具有潛力的新型結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，以半導體納米顆粒為核，金屬納米殼層包裹在其表面，同時在核與殼之間形成異質(zhì)結(jié)。核殼結(jié)構(gòu)可以充分利用金屬納米殼層的表面等離激元共振效應，增強光的吸收和散射。而異質(zhì)結(jié)的存在則能夠有效地分離光生載流子，提高電荷的傳輸效率。以CdSe@Au核殼異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為例，CdSe作為內(nèi)核，具有良好的光吸收性能，能夠吸收太陽光產(chǎn)生光生載流子。Au納米殼層的表面等離激元共振可以增強CdSe對光的吸收，并且將光生載流子快速注入到CdSe中。同時，核殼之間的異質(zhì)結(jié)能夠有效地分離電子和空穴，使電子和空穴分別向不同的方向傳輸，減少載流子的復合。研究發(fā)現(xiàn)，CdSe@Au核殼異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池在光照下的短路電流密度比單一的CdSe納米顆粒提高了30%-40%，開路電壓也有所增加，從而顯著提高了光電轉(zhuǎn)換效率。金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)特性調(diào)控還可以與其他先進技術(shù)相結(jié)合，進一步拓展新型結(jié)構(gòu)太陽能電池的應用前景。與量子點技術(shù)結(jié)合，量子點具有獨特的量子尺寸效應和發(fā)光特性，能夠?qū)膺M行高效的吸收和發(fā)射。將量子點與金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以實現(xiàn)對光的多重利用和對電荷的精確調(diào)控。在量子點敏化的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)太陽能電池中，量子點可以吸收特定波長的光，產(chǎn)生的光生載流子可以通過表面等離激元共振效應快速傳輸?shù)浇饘侔雽w復合結(jié)構(gòu)中，從而提高太陽能電池的光譜響應范圍和光電轉(zhuǎn)換效率。研究表明，這種結(jié)合量子點技術(shù)的新型結(jié)構(gòu)太陽能電池在近紅外波段的光電轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了25%-35%，為開發(fā)高效的近紅外響應太陽能電池提供了新的途徑。5.3在生物傳感中的應用5.3.1生物分子檢測原理與應用基于表面等離激元共振的金屬半導體復合納米結(jié)構(gòu)在生物分子檢測領域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，其檢測原理基于表面等離激元共振對周圍介質(zhì)折射率變化的高度敏感性。當生物分子與復合納米結(jié)構(gòu)表面發(fā)生特異性結(jié)合時，會引起周圍介質(zhì)折射率的改變，進而導致表面等離激元共振的波長或強度發(fā)生變化，通過檢測這些變化就可以實現(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測。以基于表面等離激元共振的免疫傳感器