可吸收各个方向光的空心壳纳米粒子，将提高光电探测器的效率和速度

一般通过对光捕捉进行微调，可以提高光传感器的灵敏度和太阳能电池的转换效率。阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员利用复杂的几何结构开发出微小的壳状纳米微球，以此提高光电探测器的效率和速度。（文章以“全向探测、高响应性和高速度共振增强空心纳米壳球对光的吸收”为题，发表在“Advanced Materials”《先进材料》杂志）。

图为具有精心控制的壳结构的氧化锌纳米颗粒，通过捕获光子来提高光电探测器的性能（图片来源：阿卜杜拉国王科技大学KAUST）

根据目前的研究，许多光学共振腔（通常由两块与工作介质垂直的平面或凹球面反射镜组成）设计被用于提高光的吸收效率：主要是通过捕获电磁波或将光限制到器件的有源区以增加吸收。其中多数采用简单的微米级或纳米级球体，光在其内表面来回传播，称为回音壁谐振模式（耳语画廊模式）。

前KAUST科学家Der-Hsien Lien现在是加州大学伯克利分校的博士后研究员，他和来自中国、澳大利亚和美国的同事一起证明，包含凸纳米球壳的复杂的几何形状，通过提高光学探测器的速度进一步改善了光探测器的性能。而且通过操控使其能够检测来自四面八方的光。

KAUST首席研究员Jr-Hau He解释道，表面效应在某些设备的操作中起着重要的作用。纳米材料由于其高比表面积而具备这种改善性能的能力。“然而，尽管纳米材料在光检测方面与其他材料相比具有更高的灵敏度，但因为它们更薄，所以光物质相互作用更弱。为了改进这一点，我们增加了捕捉光结构的设计。”

研究人员用半导体氧化锌制成了球形纳米壳层。他们将固体碳球浸入氧化锌盐溶液中，再用光学材料进行涂覆。然后热处理除去碳模板，并确定了其余氧化锌纳米结构的几何形状，包括壳的数量和它们之间的间距。据此，Lien及其同事设计了外壳和内壳之间的相互作用，从而在纳米材料表面附近诱导出回音壁模式和光吸收。

该团队将制得的纳米壳集成到光电探测器中。球形纳米壳的对称性意味着更易激发回音壁模式，而几乎不依赖于入射角或入射光的偏振。

基于金属氧化物纳米颗粒的光电探测器一直以来都受一个问题困扰，就是速度，之前的设备需要花费几百秒才能响应。然而，使用氧化锌纳米壳的光电探测器，仅0.8毫秒内就能发生响应。

Jr-Hau He还谈到，这一方法也可以应用于其他研究方向中，如太阳能电池和水分解装置。未来，我们将研究不同的材料系统和设计结构，以此改善这些设备在其他应用中的性能。