[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出在非中心对称的等离子体纳米颗粒中存在等离子体体光伏（或光伽伐尼）效应，其中在半导体基质中，由于形状引起的不对称性，非对称形状的金属纳米颗粒在均匀光照下可产生定向光电流。该效应可实现定向光电子发射，并为光电探测和光伏应用提供一种新机制。

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.

研究动机与目标

• 研究嵌入半导体基质中的非对称形状金属纳米颗粒的光电特性。
• 探讨纳米颗粒形状的结构不对称性如何在均匀光照下诱导定向光电流。
• 建立类似于石英或铌酸锂等非中心对称晶体中观测到的体光伏效应的等离子体类比。
• 展示此类纳米结构在增强光电导和光电子发射响应方面的潜力，适用于光电器件。

提出的方法

• 对具有破缺反演对称性的等离子体纳米颗粒的光电发射进行理论建模。
• 使用均匀平面波对半导体基质中的纳米颗粒阵列进行均匀照射。
• 基于纳米颗粒边界非对称形状分析光电流生成机制。
• 将非中心对称晶体中体光伏效应的原理类比应用于等离子体系统。
• 建模光照下的电子发射动力学，重点分析由几何不对称性引起的定向性。
• 利用非中心对称纳米结构中的电磁学与输运理论评估系统的响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 非对称形状的等离子体纳米颗粒是否可在均匀光照下产生定向光电流？
• RQ2 纳米颗粒边界处的形状诱导不对称性如何导致净光电流流动？
• RQ3 等离子体体光伏效应在多大程度上类似于晶体中的经典光伽伐尼效应？
• RQ4 该效应对设计高效光电探测器和光伏器件有何影响？
• RQ5 光电流方向与纳米颗粒结构的几何不对称性之间存在何种关联？

主要发现

• 等离子体体光伏效应可在非中心对称金属纳米颗粒中实现均匀光照下的定向光电流生成。
• 该效应源于纳米颗粒边界处的形状诱导不对称性，其破坏了反演对称性并引导了光电子发射。
• 该现象与非中心对称晶体（如铌酸锂和石英）中的光伽伐尼效应类似。
• 该机制为在等离子体纳米结构中工程化定向光电响应提供了新途径。
• 该效应在均匀平面波照射下表现稳健，表明其在实际光电探测和光伏应用中具有潜力。
• 本研究为表征非对称等离子体系统中的光发射和光电导行为建立了理论基础。