孙家林研究组在光热电转换材料及器件的设计和性能研究方面取得新进展
2022年4月06日
随着世界经济的迅猛发展，燃烧化石燃料所排放的温室气体严重污染环境。为了有效减缓人类生存环境的恶化趋势，开发清洁能源及发展相关的能量转换技术迫在眉睫。其中，将光能转换为热能和电能的技术具有广阔的应用前景，于是人们将目光投注于寻找和制备具有光热及光热电转换能力的材料和器件上。目前，许多性能优异的光热电转换材料和器件已经被广泛地应用在热电成像、光电探测、太阳能收集、癌症治疗、环境监测和海水淡化等诸多领域。
清华大学物理系孙家林研究组与材料学院韦进全研究组长期合作，最近在光热电转换材料及器件的设计和性能研究方面取得新进展。孙家林研究组采用自主发明的固态离子学方法制备出宏观面积的纯银纳米结构薄膜（AgNSF），并发现AgNSF具有显著的表面等离激元局域场激发性能，能够实现从紫外到中红外宽波段的光电响应。而韦进全研究组采用化学气相沉积方法制备出宏观面积的碳纳米管薄膜（CNTF），研究证实CNTF具有超宽的吸收光谱和良好的光热转换能力以及优异的载流子迁移率。基于AgNSF和CNTF的优越性能，他们将二者通过范德瓦耳斯力的作用在玻璃基底上搭接成AgNSF/CNTF复合异质结构（图1）。实验测试表明：该异质结构具有卓越的光热转换性能，即在波长为1064纳米、功率为518毫瓦的激光照射下，光照区域在58毫秒内可迅速升高215.9度（图2）。基于温差电效应，他们还把样品设计成光热电响应器件。当用从紫外到太赫兹的超宽波段激光依次照射AgNSF/CNTF样品的异质结时，发现该器件具有超宽波段的快速光热响应性能（图3a, b）和光电响应性能（图3c, d）。这种AgNSF/CNTF复合结构可被用来制作高效灵敏的光热转换材料，也可被用来设计超宽波段快速响应的光电探测器件。
图1：a AgNSF/CNTF复合异质结构的扫描电镜图像。b–d是图1a中各个区域的EDS谱。
图2：AgNSF/CNTF复合异质结构在波长为1064纳米、功率为518毫瓦的激光照射时的红外热成像，插图为光照区域热分布的三维图像。
图3：AgNSF/CNTF复合异质结构在不同波长激光辐照下的光热(a, b)和光电(c, d)响应曲线。
该工作以“Local large temperature difference and ultra-wideband photothermoelectric response of the silver nanostructure film/carbon nanotube film heterostructure”为题于4月5日在线发表在《Nature Communications》。清华大学物理系博士生吕博成为文章第一作者；福州大学刘宇副教授，清华大学工物系博士生吴炜东、工程师解研，清华大学物理系朱嘉麟教授、马万云教授，北京信息科技大学曹阳教授，北京应用物理与计算数学研究所杨宁、楚卫东研究员，中国空间技术研究院贾怡为文章的共同作者；清华大学材料学院韦进全副研究员和物理系孙家林教授为文章的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、低维量子物理国家重点实验室开放基金和北京市自然科学基金的支持。