近日，东南大学物理学院倪振华教授和吕俊鹏教授课题组利用表面等离激元诱导的热电子转移实现快速近红外光电探测，相关成果以“Fast Photoelectric Conversion in the Near-Infrared Enabled by Plasmon-Induced Hot-Electron Transfer”为题发表在材料学领域重要刊物Advanced Materials上。
红外探测器在光通讯、成像、环境监测、军事等领域有着十分广泛的应用，实现兼备快速响应和高灵敏度的红外探测器是拓展其应用的有力保证。在光电探测、太阳能电池及光催化等应用中，电荷转移是决定光电转换性能至关重要的环节。如果转移速度不足够快，载流子的弛豫、束缚、复合等竞争过程的发生将会导致能量损失并严重制约光电转换的效率和速度。如何从载流子动力学层面上优化并实现快速高效的光电转换一直是该领域所面临的挑战。
在本工作中, 倪振华教授和吕俊鹏教授课题组制备了亚计量氧化钨(WO2.9)/石墨烯(graphene)复合结构近红外光电探测器，并系统研究了氧化钨纳米结构中激发的表面等离激元热电子的转移过程。实验发现，由于该体系较高的末态态密度以及较大的初末态间能量差，热电子转移在150fs内（受限于仪器分辨率）即可完成。超快的热电子转移意味着体系中载流子驰豫、复合以及深能级缺陷态束缚等过程能够被有效避免，进而提升光电转换的速度和效率。该器件的响应速度比常规冷电子转移所主导的器件快1000倍以上，同时保持较高的灵敏度。另外热电子转移能够打破常规器件响应波段受制于半导体带隙(氧化钨带隙～2.8 eV）的瓶颈，将光探测范围拓展到了光通讯波段（~1550nm, ~0.8 eV）。本工作表明表面等离激元热电子转移是实现高效、快速光电转换的一个重要途径。
本文第一作者为东南大学物理学院博士生于远方，倪振华教授和吕俊鹏教授为共同通讯作者。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。
供稿：物理学院