近日，微电子所集成电路先导工艺研发中心在纳米森林等离激元光吸收效应及其微器件应用研究方面取得重要进展。
光的吸收与利用在能源、成像等领域有着重要意义。随着光吸收材料与技术的进展，基于等离激元效应的光吸收材料与结构因其在特定波长范围内超高吸收率和光-电、光-热转换能力而受到广泛关注。可激发等离激元效应的传统结构因其高吸收波段的带宽一般较窄，大大降低了对光的利用效率，限制了结构的应用。此外，传统制备等离激元结构的工艺一般较为复杂，常需依赖尖端设备，进一步限制了其与微器件的大规模集成应用。
基于以上问题，微电子所陈大鹏研究员课题组与长春光机所李绍娟研究员课题组、中北大学熊继军教授课题组合作，利用等离子体轰击添加硅烷偶联剂的聚酰亚胺，开发了一种纳米森林结构的简单制备工艺，该工艺与常规半导体工艺具有完全的兼容性。在此基础上，团队提出了一种银纳米颗粒覆盖下的复合纳米森林结构，利用银纳米颗粒间的局域表面等离激元共振、纳米纤维间的腔共振以及纳米纤维内部的波导模式共振，实现了多重杂化等离激元效应，在300-2500nm宽波段内成功获得了超过90%的平均吸收率。团队利用等离激元的光-热转换效应，实现了复合纳米森林结构在MEMS热电堆传感器上的原位集成，成功实现了最大433%的器件输出性能提升。
基于本研究成果的论文 “Quasi-ordered nanoforests with hybrid plasmon resonances for broadband absorption and photodetection” 近期发表在《先进功能材料》期刊上 (Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.202102840)。微电子所先导中心硕士研究生李茂为该文章的第一作者，微电子所毛海央研究员、长春光机所李绍娟研究员和中北大学熊继军教授为该文章的共同通讯作者。
图1 基于复合纳米森林的光吸收结构制备工艺流程和SEM图
图2 集成纳米森林的MEMS热电堆传感器结构与测试结果
科研工作