Study of metamaterial-based light absorber and self-powered photodetector

論文翻譯標題: 超材料光吸收器設計與自供電型光偵測器之研究
  • 賴 彥銓

學生論文: Doctoral Thesis

摘要

具有極佳電磁波收集能力的超材料吸收器已被視為在先進光電元件與光能擷取應用的重要技術,在本研究中,通過設計三層的複合共振器結構超材料吸收器,使其在450 nm到600 nm波長範圍表現出寬頻的光吸收能力,平均吸收率超過95%。在共振時對三維空間中的激發電場,磁場和電場總強度進行了監測,以說明共振行為的原因,並且提出了一個等效LC電路模型,該模型可以通過調整複合共振器結構的參數來探索與結構幾何相關的吸收特性。此研究預計能夠實際應用於各種光學管理和光伏應用。 此外,本研究運用碳量子點所具備製程快速簡單、光敏性高等特性,結合矽基板製作出獨特的奈米粒子超材料光吸收器結構。經模擬與實驗結果證實此結構具有寬頻光吸收能力,在可見光頻譜的平均反射率達到13%;由光電轉換效率分析中證實在65 nm厚度下的碳量子點薄膜所構成的結構具有最佳的光電轉換效率達43 2%。在元件技術分析上,針對五種厚度的碳量子點薄膜進行光感測特性分析,光響應冪律關係分析結果說明了光電流與?率強度的相關性符合冪律關係,在65 nm厚度下的碳量子點所構成的結構最接近理想的光偵測器元件。在580 nm光源下,元件的最佳光響應度(Responsivity R)和偵測度(Detectivity D*)達到0 628 mA/W和9 36 x 1012 Jones,元件重要效率指標歸一化的光電流與暗電流之比(NPDR)與等效雜訊?率(NEP)則達到2 25 x 107 W-1和1 52 x 10-13 W·cm / Hz1 / 2,偵測器效率皆在零偏壓下進行量測,展現此元件的自供電 (self-powered) 能力;在元件耐性測試中,元件響應度在荷載200g、和溫度上升115℃下僅下降4 7%和1%,且在2000次週期循環下元件響應度不受影響,證實本研究結構具有高效能且極佳可靠性的寬頻光偵測性能。最後,對於碳量子點粒徑進行反射光譜與光電轉換效率的模擬分析,發現在粒徑為22 nm下可將元件在紫外光和可見光區段的光電轉換效率提升4 %左右,此研究預計能夠藉由改變碳量子點粒徑大小,調控光偵測器的工作區段。
獎項日期2020
原文English
監督員Chia-Yun Chen (Supervisor)

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