[論文レビュー] Photogalvanic Effect in Plasmonic Non-Centrosymmetric Nanoparticles

Sergei V. Zhukovsky, Viktoriia E. Babicheva+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2013

Photonic Crystals and Applications参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、非対称形状の金属ナノ粒子が半導体マトリックス中に埋め込まれた非対称性を持つプラズモン性ナノ粒子において、形状に起因する非対称性により均一な照照明下でも方向性のある光電流を生成する、プラズモン性バルクフォトボルタイック（またはフォトギャルバニック）効果を提案する。この効果により方向性のある光電子放出が可能となり、光検出および太陽電池応用のための新たなメカニズムを提供する。

ABSTRACT

Photoelectric properties of metamaterials containing asymmetrically shaped, similarly oriented metallic nanoparticles embedded in a homogeneous semiconductor matrix are theoretically studied. Due to the asymmetric shape of the nanoparticle boundary, photoelectron emission acquires a preferred direction, resulting in a photocurrent flow in that direction when nanoparticles are uniformly illuminated by a homogeneous plane wave. This effect is the direct analogy of the photogalvanic effect known to exist in media with certain asymmetries in their crystal structure, such as lithium niobate or quartz. Termed the plasmonic bulk photovoltaic (or photogalvanic) effect, the reported phenomenon is valuable for characterizing photoemission and photoconductive properties of plasmonic nanostructures, and can find many uses for photodetection and photovoltaic applications.

研究の動機と目的

• 非対称形状の金属ナノ粒子を半導体マトリックスに埋め込んだメタマテリアルの電気的性質を調査すること。
• ナノ粒子形状の構造的非対称性が均一な照照明下で方向性光電流をどのように誘発するかを明らかにすること。
• 石英やリチウムニオブートやのような非対称結晶で観察されるバルクフォトボルタイック効果のプラズモン的アナロジーを確立すること。
• このようなナノ構造が、光エレクトロニクスデバイスにおける高効率なフォトコンダクティブおよびフォトエミッション応答を向上させることの可能性を示すこと。

提案手法

• 反転対称性が破れたプラズモン性ナノ粒子からの光電子放出の理論的モデリング。
• 半導体マトリックス内のナノ粒子アレイを均一な平面波で照射する。
• ナノ粒子境界の非対称形状に基づく光電流生成の分析。
• 非対称結晶におけるバルクフォトボルタイック効果の原理をプラズモン系に応用する。
• 幾何的非対称性に起因する方向性に注目した、照射下での電子放出ダイナミクスのモデリング。
• 非対称ナノ構造における電磁気および輸送理論を用いたシステム応答の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称形状のプラズモン性ナノ粒子は、均一な照照明下でも方向性光電流を生成できるか？
• RQ2 ナノ粒子境界の形状に起因する非対称性が、どのようにネット光電流の流れを生じさせるか？
• RQ3 プラズモン性バルクフォトボルタイック効果は、結晶における古典的フォトギャルバニック効果とどの程度類似しているか？
• RQ4 この効果が、効率的な光検出器および太陽電池デバイスの設計に与えるインパクトは何か？
• RQ5 光電流の方向は、ナノ粒子構造の幾何的非対称性とどのように相関するか？

主な発見

• プラズモン性バルクフォトボルタイック効果により、均一な照照明下でも非対称性を持つ金属ナノ粒子で方向性光電流が生成可能である。
• この効果は、ナノ粒子境界における形状に起因する非対称性に起因し、反転対称性の破れが光電子放出を方向付ける。
• この現象は、リチウムニオブートや石英のような非対称結晶におけるフォトギャルバニック効果と類似している。
• このメカニズムにより、プラズモン性ナノ構造における方向性光応答を設計するための新たな道筋が提供される。
• 均一な平面波照射下でもこの効果は安定しており、実用的な光検出および太陽電池応用への可能性を示している。
• 本研究は、非対称プラズモン系における光放出およびフォトコンダクティブ行動を特徴付ける理論的基盤を確立した。