张建奇 : 受力应变对贵金属电子光学性能的影响

xiangli

用于光伏和光催化的传统半导体通常光响应范围窄，光生载流子的复合几率高，严重限制了其太阳能转换效率。利用贵金属纳米颗粒在光照下产生的局部表面等离子共振效应(LSPR)有望解决上述存在的问题。一般来说，LSPR吸收通过热电子注入和近场增强两种机理提供能量。在热电子注入机理中，注入效率受到热电子的产生速率和能量分布的显著影响。因此，为了提高太阳能转换效率，必须找到提高热电子产生率和能量的方法。LSPR金属的电子结构和带内和带间电子跃迁概率在热电子的产生速率和能量分布中起着至关重要的作用。一般来说，材料的电子结构和带内和带间跃迁概率可以通过掺杂、形成固溶体和应变等来调控。

近日，西安电子科技大学张建奇教授、马向超副教授等通过第一性原理计算和德鲁德理论研究了受力应变对贵金属的带内和带间电子跃迁和相关等离子体特性的潜在影响，并在Nano Energy上发表了题为“Electronic and optical properties of strained noble metals: implications for applications based on LSPR”的研究论文。应变可以显著调节与sp内和d-sp带间电子跃迁密切相关的贵金属的电子结构。结果表明，压缩应变显著地增加了可见光和近红外光谱范围内的带内电子跃迁概率，但降低了带间电子跃迁概率。此外，压缩应变极大的提升了LSPR在可见光和近红外范围内的近场增强和光吸收效率，而拉伸应变的影响正好相反。上述结果为优化纳米结构设计以获得更高太阳能转换效率和基于贵金属LSPR的光电器件提供了十分有益的参考。

综上所述，作者已经证实应变可以显著调节三种金属(Au、Ag和Cu)在费米能级附近的电子结构，可对sp内和d-sp带间电子跃迁产生影响。另外，由于三种金属间的具体电子结构的差异，带内和带间电子跃迁随应变改变的具体趋势彼此不同。等离子体质量因子表明，压缩(拉伸)应变还可以增加(降低)LSPR在太阳能转换应用中所需能量范围内的近场增强和光吸收效率。在三种金属中，Ag对于基于近场增强的应用更有利，但是对于基于带间电子跃迁的应用而言不太有利，无论是否发生应变。这些结果表明，应变是改善和调控LSPR相关光学和电子特性的有效手段，为优化纳米结构设计以获得更高太阳能转换效率和基于贵金属LSPR的光电器件提供了十分有益的参考。

文献链接：Electronic and optical properties of strained noble metals: implications for applications based on LSPR (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.09.042)