《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Dielectric-environment tuning of surface plasmon resonance in ZnO/Au-NPs /ZnO nanostructures: Refractive-index sensitivity and optoelectronic figure of merit
编辑推荐：
•ZnO封顶层厚度可实现对金纳米颗粒（Au-NP）局域表面等离子体共振（LSPR）的精确调控。•将ZnO封顶层从0增至25 nm，可使LSPR从约597 nm红移至633 nm。•随着ZnO包覆程度逐渐加深，峰值光吸收率从28.67%大幅提高至62.91%。•ZnO封顶层同时
- •
ZnO封顶层厚度可实现对金纳米颗粒（Au-NP）局域表面等离子体共振（LSPR）的精确调控。
- •
将ZnO封顶层从0增至25 nm，可使LSPR从约597 nm红移至633 nm。
- •
随着ZnO包覆程度逐渐加深，峰值光吸收率从28.67%大幅提高至62.91%。
- •
ZnO封顶层同时改善了有效电输运性能，从而增强了光—电综合性能。
- •
提出了一种新的光电综合性能指标（FoM），用于评估结构—光学—等离子体性能。
引言
纳米光子学与光电技术的持续发展，激发了对能够在亚波长尺度操控光线的等离子体纳米结构的广泛研究。在众多等离子体现象中，局域表面等离子体共振（LSPR）因其能够将电磁场集中至纳米体积并显著增强光—物质相互作用而备受关注[1]、[2]。LSPR源于金属纳米结构在入射电磁辐射下自由电子的集体振荡，在特定共振波长处产生强烈的光吸收与散射效应。这些独特性质使其在光学传感、表面增强光谱、光催化、光伏、光电探测、生物成像及集成光子系统等领域得到广泛应用[3]、[4]、[5]。等离子体纳米结构的光学特性受多种参数影响，包括粒子尺寸、形貌、粒子间距、组成及周围介电环境[6]、[7]。在这些因素中，介电环境起着尤为重要的作用，因为共振条件直接受金属纳米结构周围介质折射率的影响。局域介电常数的变化可诱发共振波长的显著漂移，并改变等离子体吸收峰的强度与带宽[8]。因此，工程化调控介电环境已成为在不改变金属组分本征属性的前提下控制等离子体行为的有效策略。金（Au）和银（Ag）等贵金属因其自由电子密度高且在可见光及近红外波段具有强烈光学响应，仍是研究最为广泛的等离子体材料[9]。其中，金因其优异的化学稳定性、抗氧化性、生物相容性及与传统薄膜制备工艺的兼容性而尤为引人注目[10]。金纳米结构表现出强烈的局域表面等离子体共振，可通过几何与环境调控进行调节，是等离子体增强光子器件的理想候选材料[11]。大量研究表明，沉积在介电基底上的超薄金膜可形成不连续岛状结构，具有支持强等离子体共振的能力[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。对超薄金膜进行热退火已成为通过固态脱湿效应产生等离子体活性金纳米颗粒的最有效方法之一。在退火过程中，初始连续的金膜经历形貌转变，形成孤立的纳米岛和纳米颗粒，以最小化系统自由能。该现象使得能够支持强局域表面等离子体共振的纳米结构得以形成，其特性取决于纳米颗粒的尺寸、形状、密度及周围介电介质。因此，退火诱导的金纳米颗粒因其可调光学特性及简单制备工艺而在等离子体传感、光捕获、光催化和光电器件领域受到广泛关注[16]、[17]、[18]。此外，除了在光学吸收方面的调控外，等离子体激发还广泛应用于发光、光电和传感平台。例如，在耦合ZnO:Ga微米带结构中已实现金纳米颗粒辅助的电驱动受激等离子体振荡，展示了等离子体—半导体相互作用在增强光发射方面的潜力[19]。表面等离子体共振工程也被应用于微结构光纤传感器，其中等离子体材料和几何结构的优化可实现高折射率与温度灵敏度[20]。更广泛地看，近期对基于纳米材料的SPR/LSPR传感器的综述强调了金属纳米结构、局域电磁场及介电环境依赖的共振漂移在光学信号转换和表面增强光谱中的核心作用[21]。这些进展凸显了等离子体场工程的广泛技术相关性。然而，在本研究的ZnO/Au-NP/ZnO异质结构中，实验观察到的可见光共振专门从金纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSPR）角度进行讨论，而非传播型SPP模式。
介电/金属/介电（DMD）多层结构因其兼具强光学功能与增强的稳定性及电磁场约束能力，已成为等离子体应用中有吸引力的平台[22]、[23]、[24]、[25]。在这些结构体系中，介电层不仅保护金属薄膜，还能通过折射率工程实现等离子体响应的调控。在各种介电材料中，ZnO因其宽禁带、高透明度、化学稳定性及较高折射率而尤为引人注目[26]、[27]、[28]。因此，ZnO被广泛用作等离子体纳米结构的介电基质。金与ZnO的结合备受关注，原因在于金纳米结构表现出强烈的局域表面等离子体共振（LSPR），而ZnO具有优良的光学性能。先前的研究表明，ZnO/Au混合结构可增强光吸收、修改光发射并改善光电性能，使其在传感、光催化、光电探测和光伏应用方面具有广阔前景[29]、[30]、[31]。尽管已有大量研究探讨金厚度、纳米颗粒形貌及退火条件的影响，但介电顶层厚度对等离子体行为的影响仍相对鲜有探索。改变介电封顶层的厚度会改变金属纳米结构周围的有效折射率，从而影响共振波长、吸收强度和电磁场分布。理解这些效应对于开发可调等离子体器件至关重要。此外，先前的研究已建立了ZnO/Au基混合结构的等离子体功能特性，并证明其光学响应可通过改变金属负载量、纳米颗粒形貌、聚集状态和加工条件进行调节[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。在这些方法中，LSPR调控通常与金属纳米结构本身的修改相关联。相比之下，本研究的制备序列将Au-NP的形成与后续的光学环境工程分离开来。首先采用相同的热脱湿条件生成金纳米颗粒，随后仅通过改变ZnO封顶层的名义厚度来调整等离子体响应。这提供了一个独立的形成后设计参数，与RF溅射多层薄膜处理工艺兼容，并且无需为每种目标共振重新调整金厚度或退火条件。由于封顶厚度可在沉积过程中直接控制，该方法还为将LSPR调控整合到多层光电结构体系中提供了一条实用且可重复的途径。因此，本研究的贡献不在于提出新的LSPR机制，而在于系统实验评估封顶厚度依赖的介电环境调控，同时保持统一的Au-NP形成工艺。在本研究中，通过将ZnO（50 nm）/Au（10 nm）双层结构在500 °C下退火30分钟，利用固态脱湿效应诱导金纳米颗粒形成，随后沉积厚度为0、5、15和25 nm的ZnO封顶层来调节纳米颗粒周围的介电环境，从而制备了ZnO/Au纳米颗粒/ZnO纳米结构。对结构、形貌、光学和电学特性进行了表征，以研究等离子体响应随介电封顶厚度变化的演变规律。本研究对ZnO/Au-NP/ZnO异质结构进行了系统研究，旨在确定逐步增加ZnO封顶层如何改变预形成金纳米颗粒的实验观测等离子体响应和电学响应。本研究并非引入新的LSPR机制，而是将已建立的局域光学环境工程概念应用于具有0、5、15和25 nm名义封顶厚度的受控ZnO/Au-NP/ZnO样品系列。结合结构、形貌、光学和霍尔效应表征，对ZnO包覆、LSPR光谱演变及有效电输运之间的相关性进行了实验评估。因此，研究结果拓展了对该特定Au/ZnO等离子体异质结构中封顶厚度依赖行为的实验理解，并为可调等离子体及光电多层结构的设计提供了实用指导。
章节摘要
ZnO/Au纳米颗粒/ZnO纳米结构的制备
ZnO/Au纳米颗粒/ZnO纳米结构通过RF磁控溅射在玻璃基底上制备而成。在沉积之前，基底先后用丙酮、异丙醇和去离子水进行超声清洗，然后在氮气流下干燥。溅射腔体抽真空至基础压力约1 × 10?3 Pa，所有沉积过程均在5 × 10?2 Pa的工作压力下完成。靶材与基底的距离在整个过程中
光学性质分析
图2展示了ZnO/Au纳米颗粒/ZnO纳米结构在ZnO封顶层厚度分别为0、5、15和25 nm时的透光率光谱。所有样品在可见光及近红外区域均表现出较高的透明度，而在紫外区域由于ZnO的本征吸收边，透光率急剧下降。引入ZnO封顶层通过改变Au周围的介电环境
结论
成功制备并系统研究了具有不同ZnO封顶层厚度的ZnO/Au纳米颗粒/ZnO等离子体纳米结构。结构与形貌分析证实了通过热脱湿效应形成的金纳米颗粒，并揭示了随着ZnO封顶厚度增加纳米颗粒逐步被包覆的现象。增强的介电约束有效调控了局域表面等离子体共振，使共振波长产生红移
利益冲突声明
作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益关系或个人关系可能影响本文所报告的工作。
F. Djeffal|A. Bendejrad|A. Benhaya|M. Haffas|A. Saidi|N. Martin
