发现提升光能量效率的“热空穴”放大新方法

by Kim Jonghwa

Published 12 Mar.2025 09:02(KST)

Updated 12 Mar.2025 09:56(KST)

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KAIST与仁荷大学研究团队阐明热空穴光电流增强机制
加速下一代高效光能转换技术商业化

韩国本土研究团队开发出一种能够让“热空穴（hot hole）”维持更长时间并放大其流动的技术，有望加速下一代高效光能转换技术的商业化进程。

当光照射到金属纳米结构上时，会瞬间产生等离子体热载流子（plasmonic hot carrier），它是将光能转化为电能和化学能等高附加值能源的重要媒介。

利用原子力显微镜实时观测热空穴流动的示意图。KAIST提供

尤其是在金属表面受光照射、电子运动后形成的空位——“空穴”中，具有高能量的热空穴能够显著提高光电化学反应效率。然而，热空穴通常只在相当于1/1000万亿秒（飞秒）这一瞬间产生后便迅速消失，难以实现实用化应用。

Park Jungyoung 韩国科学技术院（KAIST）化学系讲席教授研究团队与 Inha 大学新材料工程系 Lee Moonsang 教授研究团队通过联合研究，于12日表示，他们成功实现了热空穴流的放大，并成功阐明了光电流提升的机理。

研究团队制备了一种在特殊半导体材料（p型氮化镓）基板上布置金属纳米网的纳米二极管结构，并通过结构设计使基板表面能够促进热空穴的抽取。在与热空穴抽取方向一致的氮化镓基板上，热空穴流的放大效果相比于其他取向的氮化镓基板提高了约2倍。

此外，研究团队利用基于光电导原子力显微镜（pc-AFM）的光电流成像系统，在纳米尺度（相当于头发丝直径的十万分之一）上对热空穴流动进行了实时分析。结果表明，热空穴流主要在金纳米网中光局域集中的“热点（hot spot）”处被强烈激活，但随着改变氮化镓基板的生长方向，研究人员还发现热点以外区域的热空穴流也被激活的现象。

利用金纳米网结构进行热空穴调控的示意图。KAIST提供

通过本次研究，研究团队找到了将光能高效转化为电能和化学能的方法。如能加以应用，下一代太阳能电池、光催化和制氢技术等领域都有望实现重大进展。

Park Jungyoung KAIST 讲席教授表示：“通过纳米二极管技术，我们首次得以控制热空穴的流动，这将为多种光电器件和光催化应用带来革命性贡献。”他还表示：“该技术可应用于利用太阳能的能量转换技术（如太阳能电池、制氢等），以及超小型光电器件（光传感器、纳米半导体器件）的开发。”

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本研究由 Lee Hyunhwa KAIST 化学系博士和 Park Yujin 得克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系博士后研究员担任第一作者，Inha 大学新材料工程系教授 Lee Moonsang 与 KAIST 化学系教授 Park Jungyoung 共同担任通讯作者。相关成果于本月7日在线发表在国际学术期刊《Science Advances》（论文题目：Reconfiguring hot-hole flux via polarity modulation of p-GaN in plasmonic Schottky architectures）。

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。