納米結構半導體成為光的超吸收體

利用「納米壓印光刻技術」，可以使得半導體鍺的納米結構薄層極大地提高其在可見光到近紅外波長範圍的光吸收量。寬頻吸收來自於布魯斯特和材料中光子晶體模式之間的強相互作用，並且這一效應可以極大的促進光伏和通信等光電工程的發展。

如圖所示：左圖為光子結構的SEM顯微照片。插圖表示的是在金屬襯底上，Ge光子結構體系的方案。右圖為Ge元素表面（黑色曲線）和沒有抗反射塗層（紅色曲線）的吸收相比，在金基底上對鍺的吸收為70nm。 圖片來源：A Mihi

設計可吸收範圍波長的光的超薄半導體材料，對於改進光電子器件，使之能夠更有效地將光轉換為活性電子是至關重要的。實現這一目標的一種方法是增加半導體層的厚度，以便它能在整個光譜中捕捉到最大的光子數。

西班牙巴塞羅那材料研究所的研究人員採取了一種不同的方法，即採用不同的光陷阱策略，這樣就能夠在減少半導體量的同時，仍能夠強烈得吸收光線。在他們研究的光子元結構中，入射光與不同類型的光共振模式相耦合：布魯斯特和混合光子 - 等離子體共振模式。正是這些共振負責將光場集中在小體積內，並使材料吸收可見光到近紅外範圍（400-1500nm）。

鍺與光相互作用

科研小組組長Agustin Mihi解釋說：布魯斯特模式是一種光子模式，其中沒有從表面反射出來的光。由於半導體的高折射率以及貴金屬在可見光部分的非理想行為，在我們的研究中使用的一層薄的半導體在貴金屬基底上以維持這種類型的模式光譜。在這種模式下，光在由其厚度決定的波長處被強烈地限制在薄膜中。

「由於我們的樣品中鍺（Ge）薄膜的納米結構，光可以與兩種有效的鍺厚度產生相互作用：一種是布魯斯特模式，而另一種是等離子體 - 光子模式。

如圖所示：研究小組人員由左至右分別為：Miquel Garriga，Juan LuisGarcía-Pomar，Pau Molet，Isabel Alonso，AgustínMihi和Cristiano Matricardi。 圖片來源:ICMAB

研究人員構建的基礎結構包括一個使用軟光刻技術構建在金膜上的圓柱形孔的二維方形陣列,這種可擴展的技術具有與大規模生產工藝（如軋輥）相適應的優點。

超曲面的光子共振現象

Mihi說：「通過單獨的光子共振來實現寬頻光吸收是非常具有挑戰性的，因為每個共振放大的光吸收僅在特定的波長範圍內起作用。在我們的實驗中，我們製造了一個從近紅外到可見光都呈現出一系列光子共振的變換表面，增加了Ge層在其電子帶隙之上的所有能量的光吸收。

實際上，寬頻吸收來自於Ge層整個吸收光譜中不同共振的同時激發。Mihi說， 「在可見光下，我們的光子結構維持了一個廣泛的法布里 - 珀羅（Fabry Perot）共振，如上所述，通過與布魯斯特模式耦合，這種共振得到了增強。在近紅外中，有多個吸收峰來自於在金屬基底上製備的光子晶體中激發的等離子體 - 光子模式。

光伏與通信領域的應用

他補充說：「光子晶體提供了在超薄Ge薄膜平面方向上耦合光的方法，使其能夠限制長波長（高達1400nm）的光子。我們還精心設計了這個表面，將這種光耦合到慢光模式，這種模式結合了光子晶體和等離子體效應，產生強烈的吸收峰。

如此強大的寬頻吸收對於製造更高效的光伏器件可能是有用的，特別是近紅外吸收（在重要的電信窗口達到100％）可以使諸如光電探測器的應用受益。

該科研團隊已將這一科研成果發表在了《Advanced Materials 》雜誌上，他們現在正忙於使用其納米結構的Ge來設計不同的光電器件。「其中包括第三代太陽能電池（基於鈣鈦礦材料）。他們希望可以有效的提高效率，使這一新技術與現有的硅技術競爭。「

文章來自nanotechweb網站，原文題目為Nanostructured semiconductors become superabsorbers，由材料科技在線匯總整理。

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