热电子光电探测器可以突破半导体禁带限制,具有在零偏压和室温下运行、制备方便、尺寸紧凑且探测波长可调等优点吸引了科研人员的广泛关注。通过在金属纳米结构中激发表面等离子可以增强光与物质的相互作用,从而提高金属中的热电子产生率。由于在一维光栅结构中,表面等离子只能在特定偏振的入射光下激发,所以热电子光电探测器的响应度具有强烈的偏振依赖性。此外,较厚的金属层导致了严重的热电子热化损失和较低的输运效率。本文将针对器件对光的偏振依赖性和热电子收集效率低等问题,提出基于多层金属光栅结构和光学回音壁模式的热电子光电探测器,实现对入射光偏振不敏感的高效热电子光电转换。本论文的主要内容如下:1、详细介绍了热电子产生、输运和收集的基本原理和计算方法。比较分析了热电子产生的三种跃迁方式。通过第一性原理计算,对比几种金属产生热电子过程中三种跃迁方式的不同贡献。分析了热电子输运和收集的物理现象,并举例说明影响输运和收集的微观机制。介绍了热电子产生、输运和收集的理论模型和光学仿真时用到的电磁学和有限元法,为后续研究提供了理论基础。2、根据导波共振原理,提出基于多层金属光栅和双肖特基结的热电子光电探测器。通过激发和调控多层光栅结构中的导波共振模式,获得对入射光偏振不敏感、共振波长连续可调的光学响应。然后对基于多层金属光栅结构的热电子光电探测器件建立严格的电学仿真模型,对器件光电性能进行评价。结果显示,多层光栅系统实现了高达98%的偏振不敏感光吸收。并且,双肖特基结的设计提高了热电子收集效率,器件在1470nm波长处的光响应度约为1 mA/W。3、将光学回音壁模式和热电子内致发光过程结合,提出基于电介质纳米球阵列结构的热电子光电探测器。详细研究了回音壁模式激发和调控机理,获得了器件的光学响应和热电子产生率的空间分布。研究表明:极薄金属中也可以实现较高的光学吸收和热电子产生率;此外,极薄的金属层缓解了热电子的热化损失,提高了热电子的收集效率。通过严格的电学仿真预测器件在波长为974 nm处的响应度可以达到6.2 mA/W。