Finding strategies for high-probability of electron-hole pair generation and separation is the most important for achieving more efficient conversion of solar energy in semiconductor-based photovoltaic and photocatalytic devices. Plasmonic energy conversion has been proposed as a promising alternative to semiconductor devices that have limitations due to the band gap. This method is based on the hot electrons generated through electromagnetic decay of surface plasmon in metal nanostructures. Since such a new scheme of energy conversion can provide low manufacturing cost and potentially high conversion efficiency, development of devices capable of efficiently detecting the hot electrons has been attracting attention. Therefore, to advance this field, extensive research have to be performed on the considerations regarding materials, structures and fabrications used in hot carrier devices.
In this dissertation, Chapter 1 introduces the research background. In Chapter 2, I demonstrate the detection of the hot electrons by measuring the steady-state photocurrent using the plasmonic Au/$TiO_2$ Schottky diodes. In addition, it is verified the reduction of the Schottky barrier height by the image force by applying a voltage to the diode. Furthermore, to distinguish the hot electrons generated by intraband excitation and interband transition, Cu/$TiO_2$ diode was fabricated and explored. Finally, a plasmonic bimetal/$TiO_2$ diodes composed of Au-Ag and Au-Al were fabricated and the complementary effects of the two plasmonic metals were observed. In Chapter 3, I investigate polarization dependent hot electrons detected on planar (two-dimensional) and three-dimensional (3D) tandem plasmonic Au/$TiO_2$ nanodiodes. Because, an important parameter for the efficient extraction of hot electrons is the polarization of the incident light, which can be tuned by the angle between the electric field of the incident light and the plane of the Schottky barrier. I confirm that the maximum photocurrent was obtained with the planar structure in transverse mode and with the 3D tandem structure in longitudinal mode. These results indicate that hot electrons can be extracted most efficiently when the direction of the electric field of the incident light coincides with the plane of the Schottky interface. This study sheds light on the fundamental mechanism for the polarization effect on hot electrons, with applications in the advanced design of hot electron-based photonic devices with high energy conversion efficiency. In Chapter 4, it is confirmed that the hot electron flow generated in plasmonic Au/$TiO_2$ nanodiodes by incident light can be amplified when PbS quantum dots are deposited onto the surface of the nanodiodes. The effect is attributed to efficient extraction of hot electrons via a three-dimensional Schottky barrier, thus giving new pathways for hot electron transfer. We also demonstrate a correlation between the photocurrent and Schottky barrier height when using PbS quantum dots with varying size and ligand treatments that allow us to control the electric properties (e.g., band gap and Fermi level, respectively) of the PbS quantum dots. This simple method introduces a new technique for further improving the power conversion efficiency of thin-film photovoltaic devices.
반도체를 기반으로 하는 태양전지 및 광촉매 장치에서 태양 에너지를 보다 효율적으로 변환하는데 있어 가장 중요한 것은 전자-정공의 생성 및 분리의 효율을 높일 수 있는 전략을 찾는 것이다. 플라즈모닉 에너지 전환은 밴드갭으로 인한 한계가 있는 반도체 소자에 대한 유망한 대안으로 제시되어왔다. 이 방법은 금속 나노 구조에서 표면 플라즈몬의 전자기장 감쇠를 통해 생성된 핫전자를 기반으로 한다. 이러한 새로운 에너지 변환 방식은 낮은 제조 비용과 잠재적으로 높은 변화 효율을 제공 할 수 있으므로, 핫전자를 효율적으로 검출 할 수 있는 장치의 개발이 주목 받고 있다. 따라서, 이 분야를 발전시키기 위해서는, 핫전자 기반의 장치에 사용되는 재료, 구조 및 제조에 대한 광범위한 연구가 수행되어야 한다.
본 학위논문의 1장에서는 연구적 배경을 소개한다. 제 2장에서는 플라즈모닉 금/이산화티탄으로 구성된 쇼트키 나노다이오드를 이용한 광전류 측정을 통해 핫전자의 검출을 증명하였다. 또한, 다이오드에 전압을 인가하여, 이미지 포스에 의한 쇼트키 장벽의 감소를 확인하였다. 그리고 인트라 밴드 여기 및 밴드 간 전이에 의해 생성된 핫전자를 구분하기 위해 구리/이산화티탄 다이오드가 제작되고 탐구되었다. 마지막으로 금/은, 금/알루미늄으로 구성된 바이메탈을 이용한 다이오드를 제작하여, 두 플라즈몬 금속의 상호 보완 효과를 관찰하였다. 제 3장에서는 평면(2차원) 및 3차원-적층형 구조의 플라즈모닉 금/이산화티탄 나노다이오드에서 검출된 핫전자의 편광 의존성에 관한 연구 결과이다. 핫전자를 효율적으로 추출하기 위한 중요한 매개 변수 중 하나가 입사광의 전기장과 쇼트키 장벽 사이의 배열관계인데, 평면 구조는 세로모드에서, 3차원 구조는 가로모드의 전기장 방향을 가질 때 최대 광전류를 보이는 것을 확인하였다. 이 결과는 입사광의 전기장 방향이 쇼트키 계면과 수직을 이룰 때 가장 효율적인 핫전자의 검출이 가능하다는 것을 보여준다. 이 연구는 고 에너지 변화 효율을 지닌 핫전자 기반 광소자의 설계에서의 응용과 함께, 핫전자에 대한 편광 효과의 기본 메커니즘을 잘 설명해준다. 제 4장에서는, 황화납 양자점이 코팅된 플라즈모닉 금/이산화티탄 다이오드에서 핫전자의 생성이 크게 향상됨이 확인되었다. 이 효과는 3차원의 쇼트키 장벽을 통한 핫전자의 효율적인 추출에 기인하며, 황화납 양잠점 코팅이 핫전자의 전달을 위한 새로운 경로를 형성하였음을 알 수 있다. 또한 황화납 양자점의 전기적 특성 (밴드갭 및 에너지 레벨)을 제어 할 수 있는 다양한 크기 및 리간드를 갖는 황화납 양자점을 이용하여 광전류 및 쇼트키 배리어 높이 사이의 상관관계를 입증하였다. 이 간단한 방법은 핫전자를 기반으로 하는 광소자의 전력 변화 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 새로운 기술임을 입증하였다.
