纳米晶材料等离子体的电子结构-热电子产生效率的局限性

引言

等离子体是由金属和其他导体中移动电子的共振激发产生的。在等离子体中，大量自由电子在空间和时间上相干振荡会产生极强的光学响应。在金属或其他导体中，等离子体激元表现为表面上累积电荷的集体动态振荡，进而产生不同于诸如量子点（QD）的半导体系统，局部表面等离子体激元共振由大量电子所构成的现象。金属纳米晶具备很多优异的物理性质，比如，响应波长可随着纳米晶的形貌而发生显著变化，光响应集中在等离子体峰附近体现尖峰特性，以及相互作用强度远远高于相关研究领域的其他材料等。

成果简介

本综述讨论的内容是金属纳米结构中的等离子体共振的电子结构，阐明金属纳米晶体中的等离子体响应的重要特性，该特性中等离子体及其波函数主要由大量低能激子组成，而这些激子即费米能级附近的电子。电子在表面和热点中的散射效应可以激发纳米晶体中一些高能热电子，这种现象利用经典理论就能合理的解释等离子体共振，即经典加速度产生低能载流子的集体振荡。从本质上说，这种经典运动是耗散的，会导致加热。另一方面，纳米晶体中热电子的产生是量子表面效应的结果，但热电子过程的能量效率总是受限的。由于热电子增强存在多种可能性，故光电探测器，光催化和超快速光谱学领域的应用便应运而生。

总结和展望

由于金属纳米晶的等离子流态主要由含激发能量的电子组成，因此高能热电子的产率总会被限制。提高热电子产率的一种方法就是选择具备长载流子平均自由程和显著等离子体共振特性的等离子体材料。另一种方法提高产率的方法是设计具有一定强度和宽度热点区域的金属纳米晶，并耦合纳米结构和在红外和近红外区域响应的超材料。在此综述中，我们从微观层面对等离子体响应问题进行展开，描述了提高热电子产生效率的机制，并展望其应用于能源等相关领域。