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规则的硅纳米颗粒阵列是改善纳米光子器件光发射的关键

纳米光子学研究的是光和物质在纳米尺度上如何相互作用,该领域的研究成果对纳米制造技术和未来的光子器件具有重要意义。直到最近,金属纳米颗粒还主要用于纳米光子器件。然而现在,像硅这样的半导体材料正在被考虑用于纳米颗粒。

来自埃因霍温理工大学(TU/e)和京都大学的研究人员发表了两篇关于基于硅的纳米光子结构的关键论文。为了纪念2020年国际光日,一篇发表在ACS光子学杂志上的论文被选为过去一年光子学领域的顶级论文之一。

摘要纳米光子学研究了当纳米粒子的大小与光的波长近似相等时,纳米粒子与光的相互作用。控制这种所谓的共振响应,对于开发新的纳米制造技术,以及提高太阳能电池、led和光电探测器灵敏度等实际应用具有积极意义。

焦点转移到硅上

历史上,纳米光子学界使用了金属纳米粒子,其中的自由电荷在与入射电磁波(光)的电场相互作用后振荡。近年来,人们关注的焦点转移到了由半导体材料制成的纳米粒子上,比如硅,在这种纳米粒子中,光与束缚在原子上的电子相互作用,而不是与自由电荷相互作用。对于金属纳米粒子,光与半导体纳米粒子之间的相互作用可以表现出振荡或共振响应。

光子集成研究所研究员(IPI)和应用物理学系教授为首的Jaime去?mez Rivas,与京都大学的合作,正在积极调查使用纳米光子学的半导体纳米结构。最近,他们在《高级光学材料》和《ACS光子学》杂志上发表了两项重要发现。

有机材料和硅纳米颗粒之间的强耦合

一种新的研究途径与强耦合机制有关,光和纳米颗粒材料之间的相互作用强到足以改变材料的基本性质。事实上,杂化的结果是物质具有一些光的特性,而光也具有一些物质的特性。当有机材料用于光电子器件时,一个关键问题是材料在照明时的降解以及电荷传播的短距离。强耦合将有助于限制这些负面影响。

在发表在ACS光子学杂志上的第一篇论文中,Gabriel Castellanos和同事们实现了有机材料和多晶硅纳米颗粒阵列之间的电和磁振荡的强耦合。这一发现为硅基材料在光电子有机器件中的应用铺平了道路,这可能导致性能增强。为了纪念国际光日(2020年5月16日),这篇文章被美国化学学会出版的ACS光子学杂志选为2019年5月至2020年5月间光子学领域最相关的24篇论文之一。

增强的光发射

在第二篇论文中,Shunsuke Murai和他的同事证明了多晶硅纳米粒子(不同形状和大小)排列的规则相互耦合可以隔离电振荡和磁振荡。因此,当染料分子靠近硅纳米颗粒阵列时,染料分子与硅纳米颗粒阵列之间的强耦合导致分子发出的光增强。例如,当纳米粒子阵列与电场耦合时,可在特定方向观察到20倍的增强,而与磁场耦合时可观察到5倍的增强。这可能会对未来led的设计产生影响。

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