韩国科学技术院Daehwan Jung等–石墨烯III-V量子点混合维异质结构通过空穴载流子转移增强辐射重合的能力

由于表面载流子损耗的增加，制造高量子效率的纳米级器件是一个挑战。低维材料如0D量子点和二维材料已被广泛研究，以减轻损失。在这里，我们展示了石墨烯/III-V量子点混合维度异质结构的强烈光致发光增强。与只有量子点的结构相比，二维/零维混合结构中石墨烯和量子点之间的距离决定了载流子辐射重组的增强程度，从80%到800%。时间分辨的光致发光衰减也显示，当距离从50纳米减少到10纳米时，载流子寿命增加。我们提出，光学增强是由于能带弯曲和空穴载流子转移，这修复了量子点中电子和空穴载流子密度的不平衡。这种二维石墨烯/0D量子点异质结构显示了高性能纳米级光电器件的前景。

图1. 石墨烯/InAs量子点混合维度异质结构。(a) 石墨烯/量子点异质结构的示意图。(b) 未加盖的InAs量子点（底部）和10纳米GaAs加盖的量子点样品表面（顶部）的AFM图像。(c) 快速热退火前后湿法转移石墨烯的XPS光谱。(d) 原始生长的石墨烯/铜（红色）和转移到量子点样品上的石墨烯（黑色）的拉曼光谱。(e-g) 石墨烯/量子点异质结构的横截面亮场TEM图像，分别有50、25和10纳米的GaAs帽。内页显示了50纳米GaAs盖的石墨烯/量子点样品的放大图像。

图2. 使用532纳米激光，功率=15毫瓦，在石墨烯/量子点异质结构上的室温光致发光。(a) 示意图（顶部）和光学显微镜图像（底部）。(b-d) 10、25和50纳米间距的异质结构样品的室温光致发光光谱。(e) 综合光致发光强度增强因子（I_graphene/QD/I_QD-only）与GaAs帽厚度的关系。

图3. 石墨烯/量子点异质结构的能带排列示意图。(a) 石墨烯和量子点没有接触。(b)10纳米的间距和(c)50纳米的间距。基态（G.S.）和激发态（E.S.）的能量在量子点内表示。蓝色弯曲的箭头表示辐射转换。为简单起见，图中省略了InAs润湿层和InGaAs量子阱。

图4. 室温下的时间分辨光致发光测量，使用800nm波长的脉冲激光，80MHz的重复率（12.5ns的间隔），20mW的平均激发功率，<100fs的脉冲宽度。(a) 仪器设置。(b-d) 10、25和50纳米GaAs帽量子点样品的时间分辨光致发光衰减。(e) 仪器响应时间校正的辐射量子点载流子寿命。每个数据点代表四个或更多测量的平均值。

图5. 石墨烯快速热退火（RTA）条件，用于石墨烯/量子点混合维度异质结构与10纳米GaAs盖子样品。RTA温度为400℃。拉曼测量中石墨烯/二氧化硅/硅（a）2D和（b）G峰的演变。(c)光致发光强度和(d)时间分辨的光致发光寿命增强因子取决于RTA条件。

相关研究成果由韩国科学技术院Daehwan Jung等人2023年发表在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。