通过多金属等离激元AgAuCu纳米粒子的热电子激发来突破能带间阈值限制用于紫外光探测器应用（GaN/Sapphire）*

1. 摘要

        由多种元素组成的多金属合金纳米粒子（NPs）能够突破单一金属纳米粒子的能带阈值限制，为提升传统紫外光探测器（PDs）的性能提供了新途径。在本研究中，通过将多金属等离激元合金纳米粒子（AgCu、AuCu、AgAuCu）与GaN光敏层相结合，设计了一种混合型紫外光探测器（UV-PD），以利用强热电子和局域表面等离子体共振（LSPR）效应来增强光生载流子的注入。在各种装置中，三金属AgAuCu纳米粒子光探测器展现出最高性能，其光电流达到1.47×10^-2A（在1 V下），上升时间（Tr）和下降时间（Tf）分别为170ms和700ms，电流非常稳定。这使得探测器的各项性能指标尤为突出，光响应度达到4.3×10⁶ mA/W，探测度为3.52×10¹² Jones，外量子效率（EQE）高达1.39×10⁶ %，与裸GaN探测器相比提升约16倍。因此，AgAuCu光探测器成为GaN基紫外光探测器中的最佳选择之一。光电流的增强和优异的性能参数归因于通过LSPR效应有效生成的热电子大幅提升了光生载流子的注入，以及三金属元素协同作用下界面势垒特性的改善。

2. 样品制备

        在本研究中，采用了来自中芯晶研的蓝宝基GaN（0001）外延片制备多金属纳米粒子并进一步构建光探测器。GaN为约5um厚的n型外延层，电阻率小于1×10⁸ cm^-2。晶圆被切割后，在300℃下退火30分钟（1×10^-4 Torr）以去除水蒸气、表面杂质和氧化物。裸GaN在退火后显示出原子台阶，表面波动小于1nm。然后在1×10^-1 Torr下，以7 mA的电流在等离子体辅助溅射室中分别沉积Ag、Au和Cu薄膜，各自溅射靶材的纯度均大于99.999%。多层结构Ag4 nm/Cu4 nm、Au2 nm/Cu2 nm和Ag2 nm/Au2 nm/Cu2 nm。为了保持纳米粒子的尺寸相似，选择了这些层厚度。扩散性较高的元素被置于底层，以促进原子间的互混，形成合金纳米粒子。通过在550℃下热退火120s（升温速率为4℃/s），制备了双金属和三金属合金纳米粒子。在样品温度降至100℃以下之前，始终保持真空环境，以终止生长过程。

图1 AgAuCu合金纳米粒子制造示意图

为了制造光探测器（PDs），在各种样品上通过溅射法制备了一对厚度为100 nm、间距为200 μm的金电极，用于光子照射。基于裸GaN探测器作为参考，分别制备了基于AgCu、AuCu、AgAuCu纳米粒子的光探测器。光探测器的光响应由B2902A精密源/测量单元测量。使用不同波长的发光二极管（LED）作为光源，配备聚焦模块和焦距为10 mm的准直器。PD器件有效区域的入射功率由功率计监测。多金属纳米粒子的表面形貌通过原子力显微镜（AFM）获取。元素分析和映射则使用能量色散X射线光谱仪（EDS）进行。NOST I系统用于测量反射率，该系统配备CCD、结合氘-卤素光源和ANDOR sir-500i光谱仪。同样，样品的拉曼光谱和光致发光（PL）光谱分别通过532 nm和266 nm激光获得。通过有限差分时域（FDTD）解决方案模拟了电场分布。使用200至1100 nm的平面波源从z方向激发纳米粒子。使用0.8 nm网格的3D网格进行模拟。Ag、Au和Cu的折射率数据参考自Johnson和Christy的模型。同样，MoS2的复数折射率数据参考自Beal和Huges的模型。

图 2 不同沉积材料和配置的GaN基紫外光电探测器性能参数的比较

3. 结论

        成功演示了基于GaN外延片上的等离子体AgCu、AuCu和AgAuCu纳米粒子高性能多金属纳米粒子基紫外光电探测器（UV-PD）。通过溅射和固态去润湿方法制备了Ag、Au和Cu的双金属及三金属合金纳米粒子。通过系统的形貌和光学表征以及FDTD模拟，全面研究了合金纳米粒子的演化过程和共振模式。三金属AgAuCu紫外光探测器展示了1.47×10^-2 A的高光电流，且上升时间（Tr）和下降时间（Tf）分别为0.17s和0.7s，具体请见图2。与裸GaN探测器和双金属合金纳米粒子探测器相比，AgAuCu紫外光探测器表现出最佳性能，在385 nm波长、0.08 mW/mm²照射下，其光响应度达到4.3×10⁶ mA/W，探测度为3.52×10¹² Jones，外量子效率达到1.39×10⁶ %。AgAuCu纳米粒子的元素组成、热电子注入、LSPR效应及前向散射行为是提高光响应的主要因素。这项工作为设计高性能紫外光探测器的实际应用提供了有前景的参考标准。

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