设计纳米结构光电子器件的主体以改善性能制造技术

本发明专利技术提供了一种纳米结构光电子器件，其包括纳米结构材料和与纳米结构材料混合的主体材料。该主体材料可以具有比纳米结构材料高的折射率。可以将主体材料折射率选择为使器件的有效活性面积最大化。在替换实施例中，主体材料包括吸收光并以不同的能量重发射光的散射中心或吸收／发光中心，或者同时包括这两者。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及纳米结构光电子器件。
技术介绍
纳米结构的性质不同于体材料的性质。因此，当设计光电子材料时，常常期望使用 纳米结构材料(纳米点、纳米线或纳米阱)以使性能优化。然而，具有纳米材料的宏观设备固 有地由多于一种材料构成。因此，如果这些材料中的仅一种对器件操作有用，则器件的有效 或有用体积小于器件的实际体积，因为非活性材料也占用体积。光和电磁场以取决于材料的复折射率的方式穿过材料。人们已调整活性材料附近 的周围非活性材料，以便增加活性材料中的光的吸收。例如，可以将入射介质的折射率选择 为相对于试验品而言是大的，由此增加试验品中的光学吸收。(T. Lummerstorfer等人， Analytical and Bioanalytical Chemistry, vol. 388, pp. 55-64 (2007)·)。
技术实现思路
提供了一种纳米结构光电子器件，包括纳米结构材料和与纳米结构材料混合的主 体(host)材料。该主体材料可以具有比纳米结构材料高的折射率。可以将主体材料折射 率选择为使器件的有效活性面积最大化。在替换实施例中，主体材料包括吸收光并以不同 的能量重发射光的散射中心或吸收/发光中心，或者同时包括这两者。本文所述的实施例与现有技术构思的不同之处在于其描述了如何能够使用作为 纳米材料之间的非活性材料的主体材料来改善光电子器件的效率。通常，主体的目的仅仅 是将纳米颗粒电隔离以便考虑到材料的电学和光学性质的期望变化。在某些情况下，主体 还提供结构支撑。我们描述了使用主体材料来在性能方面辅助活性材料。本申请列出其中主体材料可以改善光电子性能的四种示例设计。这些设计使光注 入(funnel)到活性区中。第一种方法通过具有非活性材料相对于活性材料的大的折射率 来实现这一点。因此，其利用纳米材料中固有的均质性缺乏以与体积百分比不成比例的量 将光注入到活性区中。第二种方法引入散射中心。第三种方法引入吸收/发光中心。第四 种把金属颗粒或薄膜与耦合到活性区中的等离子体激元一起使用。四种方法都增加在活性 纳米结构中吸收的光。附图说明图1示出入射材料的大折射率如何增加试验品内部的吸收。图2示意性地描绘模板内部的微米/纳米线阵列，其中模板不具有期望的光学性质。图3用图表示由具有折射率1. 97+0. 00405 和1的两个组分构成的复合材料的折 射率的虚部。χ轴是f，即由具有等于1. 97+0. 00405 的折射率的材料构成的复合物的百分 比。图4用图表示由具有折射率1. 975+8 和2. 77的两个组分构成的复合材料的折射 率的虚部。χ轴是f，即由具有等于1.975+8i的折射率的材料构成的复合物的百分比。图5描绘复合物(主体材料加活性材料)的光学吸收与主体材料的折射率(主体的 光学吸收被设置为零)的关系曲线。活性材料具有1.974846 + 8. 004051 的复折射率。图6描绘主体材料包括散射中心和/或发光中心的本专利技术的复合物。具体实施例方式在详细地描述本专利技术之前，应理解的是本专利技术不限于特定溶剂、材料、或器件结 构，因为这些可以改变。还应理解的是本文所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目 的，并且并不意图是限制性的。本说明书和所附权利要求所使用的单数形式“ 一个”、“ 一种，，和“该，，包括单数和 复数对象两者，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如，对“一个纳米线”的引用包括多个 纳米线以及单个纳米线，对“一个温度”的引用包括多个温度以及单个温度等等。在提供值的范围的情况下，意图在于在本公开内涵盖该范围的上限与下限之间的 每个中间值和该所述范围中的任何其它所述或中间值。例如，如果叙述1 ym至8 μπι的范 围，则意图在于还公开了 2 μπι、3 μπι、4 μπι、5 μ m、6 μπι、7 μ m，以及大于或等于1 μπι 的值的范围和小于或等于8 μm的值的范围。提供了一种纳米结构光电子器件，其包括纳米结构材料和与纳米结构材料混合的 主体材料。该主体材料可以具有比纳米结构材料高的折射率。可以将主体材料的折射率选 择为使器件的有效活性面积最大化。在替换实施例中，主体材料包括吸收光并以不同的能 量重发射光的散射中心或吸收/发光中心，或者同时包括这两者。可以将纳米结构器件中的非活性材料视为占据否则可以由活性材料构成的体积， 所述活性材料例如为其中在光伏器件中产生电子空穴对的材料。因此，相对于相同体积的 非纳米结构器件而言，非活性材料由此减小了其占据器件的活性面积的空间。提供了使非 活性材料对器件的有效面积的不良影响最小化的多种技术。换言之，器件将如同存在比实 际存在的活性材料更大百分比的活性材料时那样工作。这通过向非活性材料中引入功能 (functionality)、使得即使非活性材料未参与(例如在光伏装置中)电力产生、其也在电力 产生方面帮助活性区来实现。在第一示例中，这通过引入具有这样的折射率的非活性材料来实现所述折射率 使得光被非活性材料的存在激励而进入活性材料。增加有效活性面积超过物理活性面积的 非活性材料的折射率的范围是违反直觉的，并且在一些情况下与光学波导的更常见示例相 反。光学波导被设计为将光约束在波导芯内部，并因此使外/覆层中的光的量最小化。为 了将光约束在芯内部，芯的折射率需要比覆层的折射率大。这考虑到了全内反射且大部分 光保持在芯内部。在大多数情况下，覆层理想地是非光学活性的且是不吸收的。因此，在波 导中，将用于覆层的材料选择为使得折射率小于芯的折射率。在纳米材料中，纳米材料的尺寸小于感兴趣的能量范围中的光的波长。因此，波导 模拟是不精确的。如同在波导情况下那样，非活性材料应是不吸收的。然而，通过选择具有 比活性材料的折射率小的折射率的非活性材料，光不能被激励而进入活性材料。作为替代， 通过计算非活性主体的理想折射率，并找到接近于此理想折射率的材料，光被激励而进入 活性材料。这种违反直觉的结果可以从第一原理麦克斯韦方程或从有效介质理论导出，所述 有效介质理论是麦克斯韦方程的近似。有效介质理论是在已知构成复合物的材料的光学 性质时估计该复合材料的光学响应的一种方式。其本质上是光学性质的平均，但却是非线 性加权平均。纳米材料通常由两种材料制成(一种常常是空气)。在MaxwelI-Garnett有效 介质理论中，纳米复合物的复介电函数(e。。mp。site)通过以下等式与活性(ea。tire)和非活性 (ε inactive)材料的复介电函数相关在此等式中，f是复合物中的活性材料的体积分数且K是筛选参数。K取决于活性材料 的形状，并且对于极小的纳米线而言，K = 1。有效介质理论预测当纳米材料的尺寸小于光的波长时，在感兴趣的能量中具有最 低介电常数的材料比其体积平均值所指示的那样具有优势。因此，对于由纳米材料制成的 太阳能电池和探测器而言，通常，理想的主体材料是在感兴趣的能量范围内光学透明、电绝 缘且具有比活性材料大的折射率的材料。当活性材料具有显著吸收系数时，趋势是相同的，但是要求非活性材料具有甚至 更大的折射率以有效地激励光进入活性区。对于空气主体内部的硅纳米线的示例而言，与复合物内部的光吸收成正比的折射 率的虚部与图2所示的实际体积百分比f有关。如果有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米结构光电子器件，包括纳米结构材料和与纳米结构材料混合的主体材料，其中，所述器件具有有效活性面积，其中，所述主体材料具有使作为主体材料的折射率的函数的器件的有效活性面积近似最大化的折射率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：MR布莱克，BA布蔡恩，
申请(专利权)人：班德加普工程有限公司，
类型：发明
国别省市：US