浙大林時勝＆清華朱宏偉AFM綜述：量子點與石墨烯之間的相互作用及其在石墨烯基太陽能電池與光電探測器中的應用

【引言】

2004年發現的石墨烯材料和二維材料因其優異的性能以及可在諸多領域得到應用而引起廣泛的研究。眾所周知，石墨烯是一種由碳原子以六方結構緊密排列所組成的蜂窩狀晶體，本征石墨烯的價帶與導帶相交于狄拉克點處，帶隙為零。石墨烯擁有很多優異的性能，包括微尺度彈道輸運、超高的載流子遷移率、可調的光電特性等等。此外，由于特征尺寸的減小，石墨烯可以不受晶格匹配的限制而與其它半導體材料形成垂直的原子層厚度的異質結。這些獨特的性能使石墨烯在光學和光電器件領域具備很好的應用價值。在過去的幾十年中，石墨烯光/電器件的應用（如光探測器、太陽能電池、發光二極管、發電機等）已經在科學界得到廣泛的探索，并在工業界嶄露頭角。對于石墨烯基太陽能電池和光電探測器，雖然有很多優點，但由于單層石墨烯和二維材料的吸光率有限，使得單獨采用石墨烯和二維材料的光電器件難以達到應用級別的性能參數。通過量子點異質集成石墨烯，提升石墨烯的光吸收率和載流子壽命的一個有效的策略，從而提高器件的光電轉換效率，達到光－電的高效轉換。

導覽圖

【成果簡介】

近日，浙江大學的林時勝副教授和清華大學的朱宏偉教授（共同通訊作者）等人針對石墨烯在太陽能電池和光電探測器中的最新進展，綜述了不同量子點用于增強石墨烯光電應用的機理。盡管現在還難以精確解釋量子點/石墨烯異質結構中的載流子輸運過程，但其已在光電器件中展現出極大的優勢。該成果系統地介紹了量子點的特性以及量子點/石墨烯異質結構的優勢與相互作用的關鍵物理機理，定量分析了影響能量轉移效率的因素。此外，還綜述了量子點用于增強太陽能電池、光電探測器的研究進展，并討論了量子點/二維材料異質結構所面臨的挑戰與未來的發展方向，同時提出了在圖像傳感、光通信、中遠紅外探測等領域的應用前景。相關成果以“The Interaction between Quantum Dots and Graphene: The Applications in Graphene-Based Solar Cells and Photodetectors”為題發表于Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一常見量子點的光學響應

雙向箭頭表示一種量子點的響應范圍

圖二 重摻半導體量子點的局域表面等離子共振

（a）光生載流子集體振蕩所引起的重摻半導體量子點的局域表面等離子共振示意圖
（b）不同尺寸Ag₂Se 量子點的吸收光譜
（c）不同濃度Sn摻雜的ITO 量子點的吸收光譜
（d）不同厚度CuS/ZnS異質結納米晶的吸收光譜

圖三 量子點與石墨烯異質結構中的非輻射能量轉移

（a）InP 量子點在SiO₂和石墨烯襯底下的熒光光譜
（b）量子點/石墨烯異質結構的示意圖，其中紅色剪頭表示光生空穴從量子點轉移到石墨烯上
（c）量子點在石墨烯和石英上的熒光圖像
（d）CdSe/CdS核/殼量子點在不同厚度的MgO介質/石墨烯襯底上的時間分辨熒光光譜
（e）MoS₂厚度對CdSe 量子點/MoS₂異質結中能量轉移效率的影響

圖四 量子點/二維材料異質結構的非輻射能量轉移

（a）CdSe/CdZnS 量子點/二維材料異質結內建電場的數值模擬，黑色箭頭表示載流子從量子點轉移到二維材料材料的內部
（b）CdSe/CdZnS核/殼量子點在不同層數的MoS₂和石墨烯襯底上的時間分辨熒光光譜
（c）不同直徑的CdSe/ZnS核/殼量子點和WS₂異質結構的能帶結構量子點，綠色和紫色箭頭表示電子傳輸，紅色剪頭表示空穴傳輸
（d）不同直徑量子點/WS₂異質結構和量子點自身的時間分辨熒光光譜

圖五 量子點增強的石墨烯/半導體異質結太陽能電池

（a）不同光功率下量子點/石墨烯異質結構的拉曼光譜
（b）隨著光功率的增加，石墨烯和CdSe 量子點/石墨烯異質結構電阻變化曲線圖
（c）在AM1.5G光照下太陽能電池的J-V曲線圖，插圖表示有和沒有量子點的20個太陽能電池統計數值
（d）量子點增強石墨烯/半導體異質結太陽能電池外量子效率的測試結果
（e）量子點增強石墨烯/半導體異質結太陽能電池內量子效率的測試結果
（f）CdSe 量子點/石墨烯/CdTe異質結太陽能電池的能帶圖

圖六 光電探測器在各個領域的應用

光電探測器在臭氧傳感、天文研究、芯片間互聯的光學鏈接、光通訊、石墨烯-CMOS集成圖像傳感器和生物成像等領域的應用

圖七 幾種增強石墨烯光電探測器的方法

（a）微腔增強的石墨烯光電探測器示意圖，紅色曲線是石墨烯光電探測器耦合微腔后的光電流
（b）波導增強的CMOS工藝兼容的石墨烯光電探測器示意圖
（c）表面等離子體激元增強的石墨烯光電探測器示意圖
（d）具有非對稱電極的石墨烯光電探測器
（e）石墨烯/MoS₂/石墨烯異質結構光探測器的SEM圖像
（f）Bi₂Te₃納米片材增強的石墨烯光電探測器的I-V曲線
圖八 光伏型光電探測器及其光電響應

（a）石墨烯/Si異質結光電探測器
（b）當入射光功率增加到P=6.5 mW時，石墨烯/Si異質結器件的I-V曲線，紅色虛線代表P=6.5 mW時理想的光電二極管的I-V曲線
（c）石墨烯/GaAs光電探測器的能帶圖
（d）石墨烯/h-BN/GaAs異質結中的光生載流子產生-分離示意圖
（e）在波長為850 nm入射光激發下，GaAs表面有與無AlO_x 的光電探測器的光電響應
（f）在波長為850 nm入射光激發下，GaAs表面有與無AlO_x的光電探測器的響應時間

圖九 PbS 量子點敏化的石墨烯光電探測器

（a）PbS QD敏化的石墨烯光電晶體管的器件結構
（b）PbS 量子點的電子-空穴分離，在近紅外光照射下光生空穴可以轉移到石墨烯中，提高光生載流子的壽命、減小石墨烯的面電阻，從而提升器件性能
（c、d）在增加光照強度的情況下，石墨烯和石墨烯/PbS 量子點異質結構溝道電流、電阻變化情況量子點量子點
圖十 量子點增強石墨烯紫外光電探測器

（a）量子點/石墨烯/半導體光電探測器的示意圖
（b）ZnO 量子點增強的石墨烯/h-BN/GaN 紫外光電探測器的響應
（c、d）暗態和紫外光激發下，有無Zn(Ac)電荷遷移阻擋層的ZnO 量子點/石墨烯異質結能帶圖

【小結】

本文介紹了將零維量子點與高遷移率的二維石墨烯相結合的異質結構用于光電探測和光電轉換領域的研究進展。雖然石墨烯基太陽能電池和光電探測器已經取得了一系列的進展，但仍存在亟待解決的問題阻礙了這些器件大規模的商業應用，需要更多深入的研究來完全理解量子點增強石墨烯光電器件的物理機制。在未來的工作中，該領域仍存在很多挑戰但也有很多機遇，如零維材料增強的具有高效光功率轉換的柔性太陽能電池、通過結合不同二維材料而實現的高性能光電探測器、石墨烯光電探測器在弱光探測和光通訊器件領域的開發與應用、重摻半導體量子點增強的石墨烯中遠紅外光電探測器光電探測器、量子點敏化的石墨烯圖像傳感器以及其他基于量子點/-二維材料異質結構的應用。總之，量子點增強的石墨烯光電器件已經取得了許多進展和突破，必將帶來相應領域的技術革新。

文獻連接：The Interaction between Quantum Dots and Graphene: The Applications in Graphene‐Based Solar Cells and Photodetectors（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804712）

本文由材料人編輯部計算材料組杜成江編譯供稿，材料牛整理編輯。

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