Over the last several decades, innovative light-harvesting devices have evolved to achieve high efficiency in solar energy transfer. Understanding the mechanism of plasmon resonance is very desirable to overcome the conventional efficiency limits of photovoltaics. The influence of localized surface plasmon resonance on hot electron flow at a metal-semiconductor interface was observed with a Schottky diode composed of a thin silver layer on TiO2 and subsequent characterization of interface layer of Ag/TiO2 nanodiode influencing on Schottky barrier height by means of x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The photocurrent is generated by photoexcited electrons when they have enough energy to travel over the Schottky barrier formed at the metal-semiconductor interface. We observe that the photocurrent can be enhanced by the optically excited surface plasmons. When the surface plasmons are excited on the corrugated Ag metal surface, they decay into energetic hot electron-hole pairs, contributing to the total photocurrent. The observed abnormal resonance peaks in the IPCE (incident photons to current conversion efficiency) can be attributed to the surface plasmon effects. We observe that the enhancement of the photocurrent due to the surface plasmon is closely related to the corrugation (or roughness) of the metal surface. Even though the photocurrent measured on Ag/TiO2 exhibits the surface plasmon peaks, the photocurrent on Au/TiO2 does not show any peaks even at the frequency of Au surface plasmon energy, presumably because of the smoothness of gold surface. We modified the thickness and morphology of a continuous Ag layer by electron beam evaporation deposition and heating under gas conditions and found that the morphological change and thickness of the Ag film are key factors in controlling the internal photoemission efficiency.
무한한 태양 에너지의 변환과 촉매의 화학적 반응을 효율적으로 제어할 수 있는 새로운 에너지 변화 소자로서 쇼트키 나노다이오드 개발을 목표로 한다. 쇼트키 나노다이오드는 금속과 반도체 접합으로 이루어진 디바이스로 금속표면에 외부에너지(빛, 화학반응)를 주었을 때 1 - 3 eV의 높은 운동에너지를 갖는 핫 전자가 생성되고 핫 전자의 흐름이 쇼트키 장벽에 의해 제어된다. 핫 전자의 짧은 수명을 고려하여 활성층 금속박막은 수십 나노 이하로 증착되며 금속박막의 형태나 두께를 조절함으로서 표면 플라즈몬이 나노다이오드 전류 흐름에 미치는 영향을 관찰할 수 있다. 표면 플라즈몬 공명은 나노 구조의 금속 표면에서 자유전자들이 빛과 상호작용하여 표면의 전기장이 증폭되는 현상이다. 이는 금속의 종류, 형태, 구조, 크기에 따라 흡수되는 빛의 파장이 달라지므로 금속 나노 구조의 조절을 통해 광학적, 화학적 특성 조절이 가능하다. 따라서 선행 연구에서는 나노 구조의 금 박막이 사용된 쇼트키 나노다이오드를 통해 특정 파장에서 표면 플라즈몬 효과로 증폭된 핫 전자의 흐름을 관찰한다.
본 연구에서는 대표적인 플라즈모닉 금속인 은 박막을 증착한 은/이산화 타이타늄 쇼트키 다이오드를 이용하여 표면 플라즈몬 공명 현상을 규명하였다. 표면 열처리를 통해 은 박막의 나노 구조를 형성하고 은 표면의 산화 현상으로 인한 나노 다이오드 특성 변화의 영향을 확인하였으며, 표면 플라즈몬과 핫 전자의 상관관계는 UV-Vis와 IPCE (The incident photon to current conversion efficiency) 측정으로 확인하였다. 전자현미경과 X선 광전자 분광법으로는 표면 형태와 조성을 분석하였다. 이러한 핫 전자 기반의 나노다이오드 소자는 태양 에너지 전환 메커니즘 뿐만 아니라 표면플라즈몬의 효과를 규명하는 데 유용하며 에너지 변환 효율을 높이는데 응용이 가능하다.
