封面|金属微纳结构中热电子注入效率研究

苏州大学光电科学与工程学院李孝峰教授团队在《激光与光电子学进展》发表题为“基于蒙特卡罗模拟的热电子器件注入效率研究”的特邀论文。

文章基于蒙特卡罗模拟研究了单结、双结平面结构以及单结、双结核壳纳米线结构中的热载流子传输行为，分析了金属纳米结构形貌、尺寸以及肖特基结势垒对热电子注入效率的影响。

本封面体现了金属微纳结构中热载流子产生、传输和注入的基本原理：光源照射到微纳结构金属（图中黄色部分）中产生热载流子，然后扩散到肖特基界面（图中黄色与白色交界处）、进入半导体（图中白色部分）中被收集产生电流，从而实现热电子光电转换。

封面论文|姜紫翔,刘婷婷,孙清心,张程,俞童,李孝峰. 基于蒙特卡罗模拟的热电子器件注入效率研究[J].激光与光电子学进展, 2021,58(05): 0504001

撰稿：张程，李孝峰

背景介绍

金属材料通过吸收光子将能量传递给自由电子，导致电子能量升高而产生高能量电子-空穴对，称为热载流子。热载流子激发后通过自由扩散到达肖特基界面。部分能量高于肖特基势垒的热载流子可以有效地参与界面载流子电荷转移进入半导体中被收集。

利用热载流子原理，低于半导体带隙的光子也可以被收集或者探测，克服了半导体材料带宽的限制，在光电探测、光伏、光催化等应用中具有重要研究价值。然而金属纳米结构形貌、尺寸以及肖特基结势垒对热电子注入效率的影响尚不清楚。

热电子注入半导体的理论效率通常由福勒定律描述：注入效率与入射光子能量之间呈平方关系，通常只有百分之几。然而，福勒定律只考虑了热电子在肖特基结界面的单次注入，没有考虑在金属内部运动过程中的散射行为，导致注入效率与实验结果出现偏差。此外，福勒定律没有考虑几何结构对注入效率的调控作用。已有的研究缺乏对典型的单双结平面结构和核壳金属/半导体结构的热电子注入效率分析。

本文基于蒙特卡罗模拟对单结、双结平面结构以及单结、双结核壳纳米线结构中的载流子传输行为进行分析，并得到了金属结构形貌和尺寸对热电子注入效率的影响，为器件的优化设计提供了理论指导。

计算方法

蒙特卡罗方法是按照微观的半经典理论，利用计算机程序模拟载流子的无规则运动，从而得到载流子的注入效率。该方法通过产生在0~1之间均匀分布的随机数数列来处理载流子运动过程中的电子-电子散射与电子-声子散射事件。器件所涉及的热电子收集是一个超快、复杂的光-电-热过程，对该过程仿真需要在准确把握其微观热载流子动力学层面的基础上做出合理的假设与模型构建，该方法进行模型构建的主要过程包括：

（1）热电子能量分布：近似认为热电子能量在费米能级以上小于光子能量范围内均匀分布，且在动量空间的分布是各向同性的；

（2）热电子的初始位置分布：本研究涉及的金属结构尺寸在5~100 nm范围内，在结构体积内可认为是均匀分布；

（3）热电子的散射与注入：当热载流子在结构内部传输距离大于散射长度时，热电子发生散射。在经历电子-电子散射后，热电子无法越过势垒注入半导体。电子-声子散射是准弹性的，热电子的能量损失可以忽略不计，但其传播方向（动量方向）将按各向同性分布重新分配。最后，注入效率表示为注入到半导体内部的热载流子数量与热载流子总数的比值。

结果与讨论

本文首先讨论平面热电子系统的注入效率，如图1所示当金属厚度比较大的情况下，双肖特基势垒结构可以显著地降低热电子的热化损失，从而提高热电子注入效率。在金属比较薄时，双结与单结的系统注入效率相差不大。

图1平面单结（a）和双结（c）热电子器件结构示意图;（b）和（d）单双结注入效率随入射光子能量和Au厚度t 变化的等高线图

其次讨论纳米线热电子系统的注入效率。如图2所示，研究发现：纳米线半径越大，金属厚度越小，单结核壳结构的纳米线注入效率越高，越趋近福勒预测。当考虑电子散射时，原来不经历散射直接到达肖特基界面处不满足注入条件的热电子，在扩散到界面的过程中存在一定的概率发生电子-声子散射而改变扩散方向，从而使得这部分的热电子到达界面时满足注入条件，提高了注入效率。

图2不考虑散射时，不同金属厚度（a）和纳米线半径（b）下的单结核壳纳米线结构的注入效率谱。（c）光子能量固定为2eV，注入效率随着金属厚度和纳米线半径的变化。（d，e，f）分别是考虑电子散射时，与（a，b，c）对应的热电子的注入效率

对于双结核壳结构如图3所示。在不考虑散射时，双结核壳结构中任意初始位置处产生的热电子都能够到达肖特基界面，因此，双结核壳结构中热电子注入效率高于单结结构。在双结核壳结构的纳米线系统中，外肖特基结具有更强的热电子捕获能力。当金属厚度远小于半导体半径时，热电子注入效率接近福勒理论效率。

未考虑散射时，双结核壳结构的热电子注入效率均高于福勒理论效率，并且最高注入效率约是单结核壳结构的2倍。当考虑电子散射时，电子-声子散射有利于热电子越过肖特基势垒，提高热电子注入效率。

当金属厚度增大时，热电子扩散到肖特基界面的距离增加，从而显著地降低了注入效率。随着半导体半径增大，大部分热电子在靠近内肖特基界面处产生，导致热电子注入效率下降。当半导体半径足够大时，双结核壳结构的热电子注入效率趋近于对应的平面双结热电子器件注入效率。

图3不考虑散射时，不同金属厚度（a）和纳米线半径（b）下的双结核壳纳米线结构的注入效率谱。（c）光子能量固定为2eV，注入效率随着入金属厚度和纳米线半径的变化。（d，e，f）分别是考虑电子散射时，与（a，b，c）对应的热电子的注入效率

实际热电子探测器实验研究中应尽量选择电子-电子散射平均自由程较长的金属来做金属吸光层，尽量使金属的厚度较小，使得热电子不经历电子电子散射到达界面，从而提高热电子注入效率。使用双肖特基结结构有利于热电子的收集，其注入效率高于单结；选用单、双结纳米线核壳结构，热电子到达界面的注入角度受热电子初始位置及传播方向共同影响，注入效率高于平面结构。

未来工作中需进一步讨论热载流子在界面的反射类型以及任意形状的等离子纳米结构中的输运现象，使得理论更接近实验结论。

课题组介绍：

苏州大学光电科学与工程学院光电转换与探测实验室于2012年1月由李孝峰教授创建。目前，已发展成由近10名教授、副教授、讲师以及30余名研究生组成的科研团队，致力于新型光电转换与探测器件的原理、设计和应用研究。研究方向包括：高效太阳能电池、先进光电探测与光学传感和微纳制造与微纳新能源器件。

课题组先后承担来自科技部、国家自然科学基金委、教育部和江苏省等10余个国家和省部级课题，累计在Advanced Materials、ACS Nano、Applied Physics Letters、Optics Letters、物理学报、中国激光等光电子信息领域主流期刊发表论文超过160篇。课题组研究成果获2019年度中国光学学会光学科技二等奖、2019年教育部自然科学二等奖、2015年首届“江苏青年光学科技奖”等奖项。课题组教师入选中组部、教育部、江苏省、苏州市多项高层次人才计划，培养的本科生和研究生获得江苏省优秀本科论文一等奖、江苏省优秀博士/硕士学位论文奖（6次）、全国光学工程优秀博士论文提名奖（2次）、江苏省青年光学学生奖、江苏省大学生年度人物提名奖等奖项。