由于表面載流子損耗的增加，制造高量子效率的納米級器件是一個挑戰。低維材料如0D量子點和二維材料已被廣泛研究，以減輕損失。在這里，我們展示了石墨烯/III-V量子點混合維度異質結構的強烈光致發光增強。與只有量子點的結構相比，二維/零維混合結構中石墨烯和量子點之間的距離決定了載流子輻射重組的增強程度，從80%到800%。時間分辨的光致發光衰減也顯示，當距離從50納米減少到10納米時，載流子壽命增加。我們提出，光學增強是由于能帶彎曲和空穴載流子轉移，這修復了量子點中電子和空穴載流子密度的不平衡。這種二維石墨烯/0D量子點異質結構顯示了高性能納米級光電器件的前景。
圖1. 石墨烯/InAs量子點混合維度異質結構。(a) 石墨烯/量子點異質結構的示意圖。(b) 未加蓋的InAs量子點（底部）和10納米GaAs加蓋的量子點樣品表面（頂部）的AFM圖像。(c) 快速熱退火前后濕法轉移石墨烯的XPS光譜。(d) 原始生長的石墨烯/銅（紅色）和轉移到量子點樣品上的石墨烯（黑色）的拉曼光譜。(e-g) 石墨烯/量子點異質結構的橫截面亮場TEM圖像，分別有50、25和10納米的GaAs帽。內頁顯示了50納米GaAs蓋的石墨烯/量子點樣品的放大圖像。
圖2. 使用532納米激光，功率=15毫瓦，在石墨烯/量子點異質結構上的室溫光致發光。(a) 示意圖（頂部）和光學顯微鏡圖像（底部）。(b-d) 10、25和50納米間距的異質結構樣品的室溫光致發光光譜。(e) 綜合光致發光強度增強因子（I
graphene/QD/I
QD-only）與GaAs帽厚度的關系。
圖3. 石墨烯/量子點異質結構的能帶排列示意圖。(a) 石墨烯和量子點沒有接觸。(b)10納米的間距和(c)50納米的間距。基態（G.S.）和激發態（E.S.）的能量在量子點內表示。藍色彎曲的箭頭表示輻射轉換。為簡單起見，圖中省略了InAs潤濕層和InGaAs量子阱。
圖4. 室溫下的時間分辨光致發光測量，使用800nm波長的脈沖激光，80MHz的重復率（12.5ns的間隔），20mW的平均激發功率，<100fs的脈沖寬度。(a) 儀器設置。(b-d) 10、25和50納米GaAs帽量子點樣品的時間分辨光致發光衰減。(e) 儀器響應時間校正的輻射量子點載流子壽命。每個數據點代表四個或更多測量的平均值。
圖5. 石墨烯快速熱退火（RTA）條件，用于石墨烯/量子點混合維度異質結構與10納米GaAs蓋子樣品。RTA溫度為400℃。拉曼測量中石墨烯/二氧化硅/硅（a）2D和（b）G峰的演變。(c)光致發光強度和(d)時間分辨的光致發光壽命增強因子取決于RTA條件。
相關研究成果由韓國科學技術院Daehwan Jung等人2023年發表在Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00321)上。原文：Graphene/III–V Quantum Dot Mixed-Dimensional Heterostructure for Enhanced Radiative Recombinations via Hole Carrier Transfer。
轉自《石墨烯研究》公眾號
