[发明专利]设计纳米结构光电子器件的主体以改善性能

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年4月3日提交的美国临时专利申请61/042,124的优先权，其全部内容通过引用被结合到本文中。

技术领域

本发明总体上涉及纳米结构光电子器件。

背景技术

纳米结构的性质不同于体材料的性质。因此，当设计光电子材料时，常常期望使用纳米结构材料（纳米点、纳米线或纳米阱）以使性能优化。然而，具有纳米材料的宏观设备固有地由多于一种材料构成。因此，如果这些材料中的仅一种对器件操作有用，则器件的有效或有用体积小于器件的实际体积，因为非活性材料也占用体积。

光和电磁场以取决于材料的复折射率的方式穿过材料。人们已调整活性材料附近的周围非活性材料，以便增加活性材料中的光的吸收。例如，可以将入射介质的折射率选择为相对于试验品而言是大的，由此增加试验品中的光学吸收。（T. Lummerstorfer等人, Analytical and Bioanalytical Chemistry, vol. 388, pp. 55-64 (2007).）。

发明内容

提供了一种纳米结构光电子器件，包括纳米结构材料和与纳米结构材料混合的主体（host）材料。该主体材料可以具有比纳米结构材料高的折射率。可以将主体材料折射率选择为使器件的有效活性面积最大化。在替换实施例中，主体材料包括吸收光并以不同的能量重发射光的散射中心或吸收/发光中心，或者同时包括这两者。

本文所述的实施例与现有技术构思的不同之处在于其描述了如何能够使用作为纳米材料之间的非活性材料的主体材料来改善光电子器件的效率。通常，主体的目的仅仅是将纳米颗粒电隔离以便考虑到材料的电学和光学性质的期望变化。在某些情况下，主体还提供结构支撑。我们描述了使用主体材料来在性能方面辅助活性材料。

本申请列出其中主体材料可以改善光电子性能的四种示例设计。这些设计使光注入（funnel）到活性区中。第一种方法通过具有非活性材料相对于活性材料的大的折射率来实现这一点。因此，其利用纳米材料中固有的均质性缺乏以与体积百分比不成比例的量将光注入到活性区中。第二种方法引入散射中心。第三种方法引入吸收/发光中心。第四种把金属颗粒或薄膜与耦合到活性区中的等离子体激元一起使用。四种方法都增加在活性纳米结构中吸收的光。

附图说明

图1示出入射材料的大折射率如何增加试验品内部的吸收。

图2示意性地描绘模板内部的微米/纳米线阵列，其中模板不具有期望的光学性质。

图3用图表示由具有折射率1.97+0.00405i和1的两个组分构成的复合材料的折射率的虚部。x轴是f，即由具有等于1.97+0.00405i的折射率的材料构成的复合物的百分比。

图4用图表示由具有折射率1.975+8i和2.77的两个组分构成的复合材料的折射率的虚部。x轴是f，即由具有等于1.975+8i的折射率的材料构成的复合物的百分比。

图5描绘复合物（主体材料加活性材料）的光学吸收与主体材料的折射率（主体的光学吸收被设置为零）的关系曲线。活性材料具有1.974846 + 8.004051i的复折射率。

图6描绘主体材料包括散射中心和/或发光中心的本发明的复合物。

具体实施方式

在详细地描述本发明之前，应理解的是本发明不限于特定溶剂、材料、或器件结构，因为这些可以改变。还应理解的是本文所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，并且并不意图是限制性的。

本说明书和所附权利要求所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”包括单数和复数对象两者，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如，对“一个纳米线”的引用包括多个纳米线以及单个纳米线，对“一个温度”的引用包括多个温度以及单个温度等等。

在提供值的范围的情况下，意图在于在本公开内涵盖该范围的上限与下限之间的每个中间值和该所述范围中的任何其它所述或中间值。例如，如果叙述1 μm至8 μm的范围，则意图在于还公开了2 μm、3 μm、4 μm、5 μm、6 μm、7 μm，以及大于或等于1 μm的值的范围和小于或等于8 μm的值的范围。

提供了一种纳米结构光电子器件，其包括纳米结构材料和与纳米结构材料混合的主体材料。该主体材料可以具有比纳米结构材料高的折射率。可以将主体材料的折射率选择为使器件的有效活性面积最大化。在替换实施例中，主体材料包括吸收光并以不同的能量重发射光的散射中心或吸收/发光中心，或者同时包括这两者。