Energy dissipation at metal surfaces or interfaces between a metal and a dielectric generally results from elementary excitations, including phonons and electronic excitation, once external energy is deposited to the surface/interface during exothermic chemical processes or an electromagnetic wave incident. In this paper, we outline recent research activities to develop energy conversion devices based on hot electrons. We found that photon energy can be directly converted to hot electrons and that hot electrons flow through the interface of metal-semiconductor nanodiodes where a Schottky barrier is formed and the energy barrier is much lower than the work function of the metal. The detection of hot electron flow can be successfully measured using the photocurrent; we measured the photoyield of photoemission with incident photons-to-current conversion efficiency (IPCE). We also show that surface plasmons (i.e., the collective oscillation of conduction band electrons induced by interaction with an electromagnetic field) are excited on a rough metal surface and subsequently decay into secondary electron, which gives rise to enhancement of the IPCE. The unique optical behavior of surface plasmons can be coupled with dye molecules, suggesting the possibility for producing additional channels for hot electron generation. Furthermore, in order to enhance the collection efficiency of surface plasmon driven hot electron generation, 3-dimensional (3D) Schottky barrier is formed at surrounding interface of the nanostructured Au (connected island structure). Effect of the 3D Schottky barrier is investigated by behavior of polarization of incident light. The behavior of the surface plasmon on polarized light is reversed compared with 2-dimensional (2D) Schottky barrier circumstance. This interesting result can shed a light on development of the plasmonic device for energy conversion. In addition, the unique behavior of the graphene on photon response is studied. Carrier multiplication (i.e., generation of multiple electron？hole pairs from a single high-energy electron, CM) in graphene has been extensively studied both theoretically and experimentally, but direct application of hot carrier multiplication in graphene has not been reported. Here, taking advantage of efficient CM in graphene, we fabricate graphene/ $TiO_2$ Schottky nanodiodes and find CM driven enhancement of quantum efficiency. The unusual photocurrent behavior is observed as directly compared with Fowler’s law for photoemission on metals. Doping in graphene modifies significantly the quantum efficiency by the variation of Schottky barrier. The CM phenomena observed on the graphene/ $TiO_2$ nanodiodes can provide the intriguing application of the viable graphene based light harvesting.
에너지 전환과 같은 흥미로운 현상들은 재료의 표면에서 주로 이루어진다. 특히, 화학반응이나 광에너지와 같은 외부에너지가 금속의 표면에 입사되었을 때 에너지 전환과정을 거처 생성된 여기 전자는 핫전자 (hot electron)라고 알려져 있다. 따라서 핫전자를 정확히 이해하고 측정하는 것은 표면에서 일어나는 에너지 손실(전환)과정을 근본적으로 이해할 수 있는 유용한 플랫폼을 제공해준다. 하지만 금속 표면에서 생성된 핫전자는 수십 나노미터의 mean free path와 femto-second 수준의 life-time으로 인해 핫전자의 thermalizaiton현상(pico-second 이내)을 겪기 전에 검출하는 것은 challenge한 과제이다. 특히 광에너지가 입사되었을 때 생성되는 핫전자 검출연구는 태양에너지 전환과정에 대한 새로운 접근이다. 이를 위해서 금속과 반도체 접합을 이용한 쑈트키 (Schottky diode) 소자가 이용된다. 금속에서 생성된 핫전자가 쇼트키 장벽 (Schottky barrier)을 넘을 만큼의 충분한 에너지 (1-3 eV)를 가진 경우 ballistically 하게 쇼트키 장벽을 넘어 검출된다.
본 Dissertation에서는 쇼트키 소자를 이용하여 핫전자의 검출을 통해 재료의 표면에서 일어나는 에너지 손실(전환)과정을 이해하였다. 더 나아가 재료의 표면 변형을 통해 핫전자의 검출 효율을 향상시키고 상용되는 태양전지의 구조에 접목시킬 수 있는 가능성을 탐구하였다.
수십나노미터 수준의 박막 금속의 경우 가시광선 영역에서 대부분 빛 손실을 겪게 된다. 이를 향상 시키기 위해 표면 플라즈몬 (Surface plasmon) 현상이 이용된다. 박막의 금속에서 나노구조물 금속으로 변형되었을 때 입사되는 빛으로 인해 발생하는 금속 표면 전자들의 집단적인 공명 현상은 금속과 반도체의 계면에 빛을 confinement시켜 광흡수가 증가된다. 연결된 나노섬 구조의 금과 은나노선 구조에서 표면 플라즈몬 현상을 핫전자의 검출을 통해 확인하였고 유기 재료인 염료와의 조합을 통해 무,유기 재료의 시너지 효과를 검증하였다. 이와 더불어 대표적인 2D 재료인 그래핀의 캐리어 증폭현상 (Carrier multiplication)을 쇼트키 소자를 통해 Fowler’s law fitting를 포함한 이론적 검증과 함께 실험적으로 관찰되었다.
