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结合常规与非传统等离子体材料的纳米结构中热电子的产生

DOI：10.1039/c8fd00145f 期刊：Faraday Discussions 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 高能电子的产生是任何等离子体纳米结构中都会出现的一种效应。然而，通过光学方式在等离子体纳米结构中产生的高能电子数量可能相对较少。这是电子费米气体中集体等离子体激元激发的固有特性。但材料和几何形状的选择对产生速率有很大影响，因此对于设计具有高能（热）电子高产生速率的纳米结构至关重要。本文我们从热电子（HEs）产生的角度测试了不同的等离子体材料。我们选择的材料既包括强等离子体材料（Au、Ag、Cu 和 Al），也包括具有强烈展宽等离子体共振的晶体（Pt、TiN、ZrN）。在几何形状的选择上，我们考虑了两种类型的纳米结构：沉积在介电基底上的单个纳米晶体和超构吸收体，观察到了有趣的光电特性。对于单个纳米晶体，HE 产生速率强烈依赖于材料，因为 HE 产生速率强烈依赖于几个物理参数，如等离子体增强、等离子体共振波长、费米能等。有趣的是，等离子体超构吸收体表现出不同的行为。强等离子体金属，如 Au、Ag、Cu 或 Al，表现出非常相似的性能，而具有阻尼等离子体共振的材料则表现出多样且降低的 HE 产生速率。这些不同行为背后的物理原因在于这些材料的介电函数。在超构结构中，等离子体共振处于红外波段，强等离子体材料表现得几乎像理想金属，而第二组材料则表现出强烈的耗散。这使得由具有阻尼等离子体的晶体制成的超构结构的响应强烈依赖于材料的选择。我们研究中描述的物理原理可用于设计基于 HEs 的超构结构和纳米器件，这些器件可用于光化学和光电子学领域。
作者： Tianji Liu，Lucas V. Besteiro，Zhiming Wang，Alexander O. Govorov
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究结合常规与非常规等离子体材料的纳米结构中热电子的产生机制，旨在设计具有高能（热）电子高产生速率的纳米结构。

研究成果

研究表明，具有等离子体镜的元结构比单一纳米晶体能更高效地产生热电子。具有展宽等离子体峰的材料在热电子生成器件中效率较低，但钛氮化物（TiN）和锆氮化物（ZrN）等材料因成本效益较高而颇具前景。所描述的物理原理有助于设计光化学和光电子学领域高效的热电子生成系统。

研究不足

该研究属于计算与理论性质，依赖模拟而非实验验证。所设计纳米结构的实际制备及其在现实应用中的性能表现，可能因制造挑战和环境因素而有所差异。

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