金属-半导体纳米结构中Tamm态对肖特基势垒电子隧穿及体电子光发射效应的调控机制研究

本研究针对金属-半导体纳米结构中热电子生成效率低的问题，通过建立含肖特基势垒的Dirac梳势场模型，揭示了界面Tamm准态介导的共振隧穿效应。结果表明该效应可显著降低光效应红限，提升内量子效率(IQE)和热载流子产率，为等离激元光催化(photocatalysis)和能量转换技术提供了新思路。

　　

在纳米光子学和能源转换领域，金属-半导体纳米结构中的热电子传输机制一直是研究热点。当金属纳米颗粒受到光激发时，其表面等离激元共振(LSPR)会产生大量高能热电子，这些电子若能有效穿越金属-半导体界面的肖特基势垒，将大幅提升光催化、光伏等应用的效率。然而，传统理论中电子需克服较高势垒，导致量子效率低下，且存在明显的"红限"效应——即长波长光子的能量转换效率急剧下降。

俄罗斯HSE大学等机构的研究人员发表在《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》的工作，创新性地提出界面Tamm态（由周期性势场中断形成的表面局域态）可成为电子传输的"量子捷径"。通过建立包含肖特基势垒的有限Dirac梳势场模型，团队首次实现了电场环境下Tamm准态的精确计算，揭示了其对电子隧穿和光发射的革命性影响。

关键技术包括：1）构建含外电场的1D Dirac梳势场模型模拟金属-半导体异质结；2）采用量子力学边界匹配法求解Tamm准态能级；3）通过传输矩阵计算共振隧穿概率；4）推导内量子效率(IQE)与Tamm态耦合的定量关系。

研究结果
Formulation of problem
通过建立金属(金)-半导体(如TiO₂)纳米颗粒系统的物理模型（图1），指出传统理论忽略了两大关键因素：半导体周期势场在界面处的中断会形成Tamm态，而肖特基势垒的电场会显著改变该态的性质。

Finite Dirac comb potential model
创新性地将半导体能带描述为有限Dirac梳势场，叠加线性Schottky势垒项U_Schottky(x)=eEx。计算显示：当电子能量E与Tamm准态(E_T)匹配时，隧穿概率出现尖锐共振峰，穿透系数提升2-3个数量级。

Effect of resonant tunneling
共振隧穿使体电子光发射的IQE计算公式η_i发生本质改变：在传统Fowler公式基础上，增加了与Tamm态密度ρ_T成正比的增强项。模拟表明该效应可使近红外区的量子产率提升10倍以上，显著拓展了光化学反应的可用光谱范围。

Summary and conclusion
研究不仅解释了近期实验中观察到的"反常红移"现象（如文献[21,22]），更提出了调控Tamm态的普适策略：通过设计半导体晶格常数(a)与势垒高度(U_b)的匹配关系，可精确控制共振隧穿能量窗口。这对开发新型等离激元光催化剂、高效热电子探测器具有重要指导意义。

讨论部分特别强调，该模型成功统一了两种看似矛盾的现象：化学界面阻尼(CID)和Landau阻尼(LD)的增强，均可归因于Tamm态对界面电子散射过程的调制。未来通过引入二维半导体过渡金属硫化物(TMDCs)等材料，有望进一步优化Tamm态与等离激元的耦合效率。

这项研究由Renat Sh. Ikhsanov、Alexander V. Uskov等学者完成，其价值在于将固体物理中的经典Tamm态概念创新性地应用于纳米光子学领域，为解决热电子传输瓶颈提供了全新思路。