Amplification of hot electron flow by the surface plasmon effect using Au-TiO2-Ti nanodiode

Abstract

광전지 또는 광촉매 소자를 통하여 높은 에너지 전환 효율을 얻기 위해서는 반도체에서의 전자-정공 분리 시스템을 대체 할 수 있는 높은 효율의 전자-정공 분리 시스템을 찾아내는 것이 아주 중요한 과제이다. 최근 그 중 하나로써 플라즈모닉 에너지 전환에 관한 연구들이 촉망 되어지고 있다. 플라즈모닉 에너지 전환은 표면 믈라즈몬에 의해 발생되는 핫전자의 생성을 기반으로 한다. 핫전자란, 화학반응이나 광 에너지와 같은 외부에너지가 금속에 가해졌을 때, 열적 평형상태보다 1 - 3 eV 정도 높은 운동에너지를 가지고 있는 전자를 말한다. 이러한 핫전자는 수십 fs 의 수명시간과 10 nm 정도의 평균자유행로를 가지므로, 핫전자를 검출하기 위해서는 10 nm 이하의 아주 얇은 금속 박막과 산화물의 접촉에 의해 형성되는 Schottky 장벽을 통해 검출되어질 수 있다. 그리고 금속 박막의 나노 구조화를 통하여 발생되는 국부적 표면 플라즈몬 공명 효과에 의하여 빛의 흡수를 증가시켜 핫전자를 증폭시킬 수 있다. 본 연구에서는 금속-산화물-금속 나노 소자에서 산화물의 두께를 수 나노 크기의 아주 얇은 박막으로 제작함으로써, 금속과 산화물 사이의 장벽을 넘는 핫전자 뿐만 아니라, 장벽의 크기보다 작은 핫전자들을 터널링 메커니즘을 통하여 검출 할 수 있도록 제작하였다. 이는 플라즈모닉 에너지 전환에 일반적으로 쓰였던 금속-산화물 Schottky 나노 소자에서 이용되지 못하는 장벽의 크기보다 낮은 에너지를 가지는 핫전자를 이용함으로써 효율을 증가 시킬 수 있다.