半导体纳米结构中的金属等离激元引起的热电子注入研究.doc
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半导体纳米结构中的金属等离激元引起的热电子注入研究,14000字 35页 摘要：在本文中，我主要进行了等离激元载流子从光激发金属纳米晶体到半导体接触面或表面分子过程中的产生和注入过程的理论研究。等离激元载流子在金属半导体表面反应的关键是它的频率与入射光频率相同。在此过程中形成的极化等离激元载流子将在金属半导体界面处因为电...
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半导体纳米结构中的金属等离激元引起的热电子注入研究
14000字 35页
摘要：
在本文中，我主要进行了等离激元载流子从光激发金属纳米晶体到半导体接触面或表面分子过程中的产生和注入过程的理论研究。等离激元载流子在金属半导体表面反应的关键是它的频率与入射光频率相同。在此过程中形成的极化等离激元载流子将在金属半导体界面处因为电子转移而形成的肖特基结中进行相关反应。通过理论分析表明：不同尺寸的光激发热载流子在金属半导体接触面的分布是显著不同的。在大体积的纳米晶体中，大多数的热载流子只具有很小的激发能，并且被激发的载流子分布类似于其在等离激元波中的分布。而尺寸小于20 nm的纳米晶体中，载流子分布在能量更高的能级，并且占据了整个EF < ε < EF + ℏω能级区域。上述现象是由于纳米晶体中的动量不守恒所造成的。通过公式的相关推导我们可以得知：小体积的纳米晶体最适合设计基于等离激元电子和空穴理论的光电和光伏器件。而对于常用的金纳米晶体而言，具有超过势垒能量的热载流子有效产生的最佳光学尺寸是在10 nm到20 nm之间。除了尺寸的影响外，另一个很重要因素是激发光的偏振。为了高能级载流子的有效激发，电场极化矢量应该垂直于纳米线或纳米板的几何形状。随着研究的深入，我们发现使用纳米晶体立方体会产生意想不到的结果。本理论的结果既可以用来设计纯固态光电元件，也可以用来设计光催化和太阳能转换系统。
关键词 等离激元 热载流子 金属 半导体 注入
Theory of photoinjection of metal plasmon-induced hot electron into semiconductor nanostructures
Abstract: In this work, we theoretical study the plasmonic carriers injection at the interface of metal semiconductor contact or surface molecular. The theoretical analysis shows that: the excited-carrier distribution is significantly different for different sizes metal-semiconductor contact surfaces. To nanocrystals with large volume, most of the hot carriers own only a very small excitation energy, and the distribution of excited carriers is similar to its plasmon wave. While to the nanocrystals which size is less than 20 nm, the carrier distribution is at higher energy levels, and occupies the entire EF < ε < EF + ℏω lever area. The phenomenon is due to nanocrystals momentum is not conserved. According to the theoretical analysis, we can see that: based on plasmon theory of electrons and holes photovoltaic and photovoltaic devices are the most suitable design of small size nanocrystals. For conventional gold crystals, the best optical size exceeds the energy barrier effective to produce hot carriers is between 10 nm to 20 nm. In addition to the size effect, the polarization of the excitation light is also very important. In order to effectively stimulate the energy level of the carrier, the electric field is perpendicular to the polarization vector should prism-shaped nanowire or board. With the change of the prism geometry, we find that using the cube will produce unexpected results. The results of this theory can be used to design not only the pure solid state photovoltaic element but also the systems and solar photocatalysis.
Keyword: Plasmonic Hot Carries Metal Semiconductors Photoinjection
目录
摘要： I
Abstract: II
第1章 等离激元 1
1.1 研究背景 1
1.2 表面等离激元及其性质和局域表面等离激元共振 2
1.2.1 表面等离激元及其性质 2
1.2.2 局域表面等离激元共振 2
第2章 载流子注入相关理论 3
2.1 引言 3
2．2 基本原理 4
2.3.1 等离激元波上的载流子分布 8
2.3.2 典型结构中的等离激元热载流子分布 9
2.3.3 两种相关结构上的等离激元波及其载流子分布 12
第3章 金属和半导体纳米结构表面的热电子转移研究 13
3.1等离激元纳米结构反应中的几个重要参数 13
3.1.1 吸收带、 特殊传递动量 13
3.1.2 金属半导体表面中内部电场的数值解 17
3.1.3 等离激元纳米晶体注入载流子的速率 19
3.2 热电子等离激元从金属板到半导体接触面的注入 20
结论 27
致谢 28
参考文献 29
14000字 35页
摘要：
在本文中，我主要进行了等离激元载流子从光激发金属纳米晶体到半导体接触面或表面分子过程中的产生和注入过程的理论研究。等离激元载流子在金属半导体表面反应的关键是它的频率与入射光频率相同。在此过程中形成的极化等离激元载流子将在金属半导体界面处因为电子转移而形成的肖特基结中进行相关反应。通过理论分析表明：不同尺寸的光激发热载流子在金属半导体接触面的分布是显著不同的。在大体积的纳米晶体中，大多数的热载流子只具有很小的激发能，并且被激发的载流子分布类似于其在等离激元波中的分布。而尺寸小于20 nm的纳米晶体中，载流子分布在能量更高的能级，并且占据了整个EF < ε < EF + ℏω能级区域。上述现象是由于纳米晶体中的动量不守恒所造成的。通过公式的相关推导我们可以得知：小体积的纳米晶体最适合设计基于等离激元电子和空穴理论的光电和光伏器件。而对于常用的金纳米晶体而言，具有超过势垒能量的热载流子有效产生的最佳光学尺寸是在10 nm到20 nm之间。除了尺寸的影响外，另一个很重要因素是激发光的偏振。为了高能级载流子的有效激发，电场极化矢量应该垂直于纳米线或纳米板的几何形状。随着研究的深入，我们发现使用纳米晶体立方体会产生意想不到的结果。本理论的结果既可以用来设计纯固态光电元件，也可以用来设计光催化和太阳能转换系统。
关键词 等离激元 热载流子 金属 半导体 注入
Theory of photoinjection of metal plasmon-induced hot electron into semiconductor nanostructures
Abstract: In this work, we theoretical study the plasmonic carriers injection at the interface of metal semiconductor contact or surface molecular. The theoretical analysis shows that: the excited-carrier distribution is significantly different for different sizes metal-semiconductor contact surfaces. To nanocrystals with large volume, most of the hot carriers own only a very small excitation energy, and the distribution of excited carriers is similar to its plasmon wave. While to the nanocrystals which size is less than 20 nm, the carrier distribution is at higher energy levels, and occupies the entire EF < ε < EF + ℏω lever area. The phenomenon is due to nanocrystals momentum is not conserved. According to the theoretical analysis, we can see that: based on plasmon theory of electrons and holes photovoltaic and photovoltaic devices are the most suitable design of small size nanocrystals. For conventional gold crystals, the best optical size exceeds the energy barrier effective to produce hot carriers is between 10 nm to 20 nm. In addition to the size effect, the polarization of the excitation light is also very important. In order to effectively stimulate the energy level of the carrier, the electric field is perpendicular to the polarization vector should prism-shaped nanowire or board. With the change of the prism geometry, we find that using the cube will produce unexpected results. The results of this theory can be used to design not only the pure solid state photovoltaic element but also the systems and solar photocatalysis.
Keyword: Plasmonic Hot Carries Metal Semiconductors Photoinjection
目录
摘要： I
Abstract: II
第1章 等离激元 1
1.1 研究背景 1
1.2 表面等离激元及其性质和局域表面等离激元共振 2
1.2.1 表面等离激元及其性质 2
1.2.2 局域表面等离激元共振 2
第2章 载流子注入相关理论 3
2.1 引言 3
2．2 基本原理 4
2.3.1 等离激元波上的载流子分布 8
2.3.2 典型结构中的等离激元热载流子分布 9
2.3.3 两种相关结构上的等离激元波及其载流子分布 12
第3章 金属和半导体纳米结构表面的热电子转移研究 13
3.1等离激元纳米结构反应中的几个重要参数 13
3.1.1 吸收带、 特殊传递动量 13
3.1.2 金属半导体表面中内部电场的数值解 17
3.1.3 等离激元纳米晶体注入载流子的速率 19
3.2 热电子等离激元从金属板到半导体接触面的注入 20
结论 27
致谢 28
参考文献 29
