可支持光波导模式的新型光伏材料纳米点结构

硫化锑（Sb₂S₃）作为一种无毒、环保的太阳能电池材料，近年来得到了广泛的研究。现在可以用含有辉锑矿纳米粒子的墨水来制作光伏薄膜，并将这些薄膜制成几乎任何形状的二维和三维结构。这种简单、经济高效的生产方法满足了可靠、广泛使用的先决条件。

由于辉锑矿是一种有效的半导体材料（即具有较高的吸收系数和载流子迁移率），其纳米结构有望成为全光信号处理和计算的光开关材料。来自奥尔登堡大学物理研究所的研究员Petra Groß解释说：“近红外光照射，辉锑矿基本上是透明的波长，可以实现其折射率的超快变化。这意味着用辉锑矿纳米颗粒形成的表面图案可以使红外脉冲改变颜色外观等光学特性。”

如果辉锑矿纳米结构要用于可切换的纳米器件，高光学质量是必不可少的。最近发表在《高级光子学Advanced Photonics》杂志上的一项研究对辉锑矿纳米结构的光学性质进行了研究。研究表明，辉锑矿纳米点可以作为高质量的光波导。这一发现，连同简单的二维和三维结构能力和有趣的光学性质，表明了辉锑矿纳米结构作为可切换材料，在未来的应用中具有巨大潜力。

辉锑矿纳米点

这项研究的主要作者Jinxin Zhan，目前是奥尔登堡大学Christoph Lienau教授近场光子学实验室的博士生。Jinxin Zhan解释说，辉锑矿的电子显微镜图像显示出一个相当不平整的表面。Jinxin Zhan和她的团队与康斯坦茨大学的研究人员合作，旨在通过研究辉锑矿表面上的辉锑矿纳米点（直径400nm）来估计辉锑矿纳米结构的光学性质。

Jinxin Zhan说：“这样的光学检查很困难。纳米结构的尺寸通常小于可见光的波长，因此光谱测量通常只在几个纳米结构的集合上进行。”

纳米粒子聚焦

为了实现困难的光学检测，Jinxin Zhan和她的团队开发了一种新的近场光谱技术，可以对单个纳米颗粒进行光学研究。它是基于散射型扫描近场光学显微镜（SOM）的，在这种显微镜下，一个尖尖的曲率半径约为10nm的金探针靠近纳米结构的表面，并在其上进行扫描。由尖端散射出去的光由探测器收集。

Jinxin Zhan说：“通常情况下，会有大量的背景光存在，我们通过调制尖端样品距离和将散射光与宽带参考激光混合来抑制这些背景光。配备有快速线相机的单色仪使我们能够在光栅扫描时测量每个位置的完整光谱。”光谱带宽为200 nm，空间分辨率约为20 nm，因此研究小组可以研究单个纳米点内的光学性质或光谱分辨强度分布。

由此得到的辉锑矿纳米颗粒的图谱显示，尽管其表面不规则，但在结构研究中，它们还是作为高折射率的介质波导。Jinxin Zhan进一步解释说，“用我们的新方法，我们可以看到穿过纳米点的模式分布，这与光学玻璃纤维中导波的模式轮廓非常相似。计算表明，直径为400nm的辉锑矿圆柱波导应支持四种模式。计算出的这四个最低阶模态的叠加与我们的实验观测结果非常吻合。这些模式在我们近场光谱测量的整个200纳米带宽上都得到了支持。”

Lienau指出，这项新技术提供了一种全新的“观察”微量纳米材料的方法，并为研究它们在超快时间尺度上的光激发动力学打开了大门。他说：“Jinxin Zhan和Petra Groß开发的光谱技术非常有前途。目前，该团队已经展示了具有深亚波长分辨率和高灵敏度的局部光散射光谱。我们有信心，我们将能够进一步提高空间分辨率，迅速达到几纳米范围。”

原文链接：https://phys.org/news/2020-08-nanodots-photovoltaic-material-waveguide-modes.html