Metal Nanostructures for Optoelectronic Devices

Abstract

Plasmonic metal nanostructures can improve light-matter interaction in various materials integrated with them, and hence semiconductor-metal integrated nanostructures have been extensively studied for their potential as novel optoelectronic devices. In this thesis, we investigated the fabrication and characterization of MoS2 monolayers and NiO/ZnO transparent photovoltaic (TPV) devices integrated with metal nanostructures. The integrated systems demonstrated how the geometric configurations of the metal nanostructures affected the surface plasmon excitation behaviors and resulting optical properties. The Raman and Photoluminescence intensities of the MoS2 monolayers on Au nanopillar arrays increased, indicating enhanced optical absorption of MoS2 monolayers. Furthermore, surface potential maps obtained by Kelvin probe force microscopy could reveal the spatial distributions of photo-generated charge carriers on the MoS2 monolayers and TPV devices integrated with metal nanostructures. Current-sensing atomic force microscopy allowed us to perform transport measurements at the local region. Both the surface photovoltage and photocurrent increased in TPV devices with AgNW top electrodes, when the light polarization was perpendicular to the AgNW axis, indicating high-performance top electrodes which can be used many kinds of devices. The nanoscopic electrical characterizations as well as optical properties indicate that the effective plasmonic metal nanostructures can improve the key processes of MoS2 monolayers and TPV devices to determine the performance of the materials as the light absorption and carrier generation-collection behaviors.;플라즈모닉 금속 나노구조물은 함께 결합된 다양한 물질들과의 빛-물질 상호작용을 향상시킬 수 있으며, 따라서 반도체-금속 통합 나노구조물은 소형 광전지 소자로의 잠재적 가능성을 탐구하기 위해 광범위하게 연구되었다. 본 논문에서는 금속 나노구조물과 결합된 MoS2 단일층과 NiO/ZnO 투명 태양전지 (TPV, Transparent Photovoltaic)의 제작과 특성에 대해 연구하였다. 결합된 시스템 (Integrated systems)은 금속 나노구조물의 기하학적 구성이 표면 플라즈몬을 촉진하는 현상 및 광학적 특성에 어떤 영향을 미치는지를 보여주었다. Au-NP (Au Nanopillar) 위의 MoS2 단일층의 Raman 및 PL (Potholuminescence)은 증가하였으며, 이는 MoS2 단일층의 광 흡수가 향상되었다는 것을 나타낸다. 또한, KPFM (Kelvin Probe Force Microscopy)에 의해 얻어진 표면 전위 맵은 금속 나노구조물과 결합된 MoS2 단일층 및 TPV 소자에 빛에 의해 생성된 광전하의 공간 분포를 나타낼 수 있다. C-AFM (Current sensing AFM)을 사용하여 국소 영역에서 전송 성능 측정을 수행할 수 있다. AgNW (Ag Nanowire) 상부 전극을 사용한 TPV 소자에서 빛의 편광이 AgNW 축과 수직일 때, 광전류(photocurrent)가 증가하였으며, 이는 다양한 종류의 장치에 사용될 수 있는 고효율 상부 전극을 나타낸다. 나노 규모의 전기적 특성과 광학적 특성 모두 효과적인 플라즈모닉 금속 나노구조물이 MoS2 단일층 및 TPV 소자의 주요 과정을 개선하여 광흡수와 광전하 생성-수집 형태를 결정하는 데 기여할 수 있음을 나타낸다.