石墨烯CdSe / ZnS量子点复合材料中的电荷转移效应外文翻译资料

英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

石墨烯CdSe / ZnS量子点复合材料中的电荷转移效应

摘要

石墨烯具有独特的物理性质，由于其独特的能带配置，与传统意义上在固态光电子学中使用的材料有很多不同之处。在石墨烯各种显著的特点中，强电场效应，石墨烯片的可见光范围和低电阻率的高透明度在光电应用中是最具有吸引力的。最近，量子点（QDs）的零维胶体半导体纳米晶体由于其尺寸依赖的可调谐光学性质而在光子学领域引起了极大的关注。通过将这两种类型的纳米材料结合在一起，我们证明了石墨烯作为从II-VI量子点到II-VI量子点的有效电荷转移介质的作用。分散在单层石墨烯上的II-VI量子点的光学激发导致从纳米晶体到石墨烯的电子转移。这已经通过光致发光成像得到证实，并通过在量子点装饰的单层石墨烯场效应晶体管（SLG-FET）上的电测量证实。在本文的第二部分中，我们展示了从石墨烯到QD层状纳米晶体结构的高效空穴注入和相应的基于石墨烯的量子点发光二极管（QD-LED）的操作。在设备电致发光强度表现方面，我们还基于石墨烯与基于氧化铟锡（ITO）的QD-LED进行了实验。我们的实验结果展示了在石墨烯基电极的电流密度高达200 mA / cm2时拥有的更好的空穴注入效率，并提出单层石墨烯是作为替代QD-LED技术中ITO的有力候选者。

关键词：石墨烯，胶体半导体量子点，电荷转移，光电检测器，QD-LED

1.介绍
石墨烯是具有零带重叠，线性能量色散和电子态的线性密度的半金属[1]。 单层石墨烯在可见光范围内吸收〜2.3％的入射光; 它具有相当低的薄层电阻值和强的弹性晶格[2]。 石墨烯已被应用于高速电子[3]，超快光电探测[4]，非线性光学[5-6]等多种应用，并作为替代有机太阳能中的氧化铟锡（ITO）的电极细胞[7]和有机发光二极管（OLED）[8]。 石墨烯的最重要的性质之一是强电场效应，它导致在| n | lt;1014cm-2范围内的静电可调谐载流子密度。 栅极或掺杂效应也可以通过石墨烯表面受控地暴露于分子物质[9-10]和金属离子[11]来实现。 在这项工作的第一部分，我们展示了电子对石墨烯的掺杂从光电激发的CdSe / ZnS核/壳量子点转移到石墨烯表面。分散在石墨烯上的各个量子点的光致发光行为，并将其与已知的无石墨烯SiO 2表面进行比较。与之前的报告[12]相反，我们的发现让我们假设存在从光学激发量子点到石墨烯的电荷转移，而不是能量转移效应。在CdSe量子点与化学衍生的石墨烯[13-14]，富勒烯[15]和碳纳米管[16]接触的情况下，最近已经证明使用sp2碳同位素作为量子点（QD）敏化支架的可能性，在光激发时测量增加的光电流。然而，我们以完全不同的方式表征石墨烯-QD系统。通过实现用量子点敏感的单层石墨烯场效应晶体管（SLG-FET），我们通过常规场效应测量表明在QD的光激发下对石墨烯进行n掺杂[17]。由于石墨烯[18-19]（室温下高达104 cm2 / Vs）的电子和空穴的高载流子迁移率，该结果可用于新型石墨烯基光电探测器。在这项工作的第二部分，我们专注于通过石墨烯将电荷载体注入量子点。为了进行这样的实验，我们实现了基于石墨烯的量子点发光二极管（QD-LED）。在过去十年中，利用CdSe / ZnS量子点（及其衍生物如ZnCdS / ZnS，CdZnSe）在有源层形成，载流子注入和结缓冲层优化中的QD-LED技术取得了重大进展[20-21 ]。然而，上述所有的QD-LED研究都采用常规的氧化铟锡（ITO）层作为阳极或阴极。通过构建简化的QD-LED结构，我们证明成功使用单层石墨烯作为QD-LED的阳极。最后，通过比较基于石墨烯和基于ITO的QD-LED，我们可以看出，甚至未掺杂的单层石墨烯可以以相当高的电流密度优于ITO。

2.样品制作和实验技术

2.1量子点在石墨烯和石墨烯量子点光电晶体管上的光致发光

石墨烯 - 量子点光电晶体管需要通过在n 掺杂的Si衬底上的原子层沉积（ALD）产生的80nm Al 2 O 3膜上的剥离薄片。 Al2O3的介电层由于较高的光学对比度而改善了石墨烯薄片识别;与此同时，氧化铝的较高的kappa;值提供了更好的石墨烯晶体管的静电门控，与在SiO2支架上制造的那些相比，可以使栅极电压范围更低，达到所需的载流子浓度[22]。对于这两种类型的实验，通过光学显微镜鉴定薄片。拉曼散射光谱证实了石墨烯薄片的单层性质（图1（a）），通过显示锐利和强烈的2D峰（I2D / IG〜1.9），同时不存在缺陷相关的D峰[23]。后门控SLG场效应晶体管（FET）通过常规的基于PMMA的电子束光刻，然后通过剥离金属化（Cr / Au，5 / 70nm）制造。所有准备好的SLG FET在高真空下在150℃下退火24小时以除去器件制造后剩余的吸附物质，并将中性点电压（VNP）恢复到接近零的值（可忽略的p掺杂）[24-25] 。 SLG样品的敏化
在玻璃基板上，通过旋转铸造，用0.1nmol / mL CdSe / ZnS QD胶体溶液（Evident Technologies，USA）进行发射lambda;〜596nm的QD的石墨烯晶体管器件。该浓度允许在表面上实现量子点的亚单层分布。 在这项工作中研究的所有石墨烯样品的拉曼光谱通过常规共焦微拉曼光谱仪（HORIBA Jobin Yvon LabRam 800）测量。 532 nm DPSS激光的激发光聚焦成直径为0.7mu;m，安全足够的功率密度为30 kW / cm2 [26]。
光致发光成像实验通过在光栅扫描模式下操作的共焦PL显微镜设置进行。该装置配备了安装在Olympus IX71倒置显微镜架上的XYZ压电驱动级（1nm空间分辨率）。激光激光（488nm，1mu;W）通过高倍放大的浸油目标（N.A = 1.3）聚焦到衍射极限点。光致发光由相同的物镜收集，过滤并通过以光子计数模式工作的单通道硅雪崩光电二极管（APD）进行检测。对于QD敏化SLG-FET的电学表征，器件安装在配有光学视口的高真空室（基底压力〜1times;10-5 mbar）中，并与Keithely 2602型表征系统电连接。石墨烯量子点晶体管的光学激发是通过532 nm DPSS激光（1mu;W）完成的，聚焦到〜1mm的点。

2.2基于石墨烯的QD-LED的电荷注入实验

为了实现用于电荷注入实验的mm尺寸的QD-LED结构的制造，我们使用通过Cu催化的化学气相沉积（CVD）合成的大规模石墨烯膜。该方法在Cu / SiO 2 / Si晶片堆叠的整个区域上产生单层厚的石墨烯膜，没有任何双层或多层岛[27]。通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）将获得的石墨烯膜转移到玻璃基板上，
在其他地方描述的支持转移技术[28-29]。在PMMA去除步骤之后，尺寸为8times;8mm2的石墨烯膜保留在表面。这些膜通过阴影掩模的Cr / Au层（3/70nm）的蒸发而接触，从而形成Van der Pauw配置中的四个金属焊盘。拉曼光谱显示了一个明显高度强烈的2D峰（FWHM = 38.53plusmn;1.54 cm-1），证实了样品的单层性质[23]。弱D峰的存在表明在整个薄片区域的石墨烯晶格的低缺陷密度和相当大的晶体质量（图1（b））。在几个样品中平均的相关量均为I2D / IG = 1.77plusmn;0.17，ID / IG = 0.18plusmn;0.05。

图1：Al2O3衬底（a）上剥离的单层石墨烯薄片和玻璃衬底（b）上转移的CVD石墨烯薄膜的拉曼光谱;红线表示D峰的洛伦兹拟合。注意（b）中由于玻璃基板产生的寄生背景荧光而在较高波数处的较高基线。
样品的特征还在于霍尔效应和可见光范围透射率测量。片电阻测量显示Rs =2-5kOmega;/□和霍尔迁移率mu;p= 300-500cm2 / Vs的值。尽管石墨烯薄膜不受任何有意的掺杂，如霍尔效应测量所证明的那样，石墨烯样品表现出弱的p掺杂，不超过p 2times;10 12 cm -2的水平。这可以归因于源自PMMA转移过程的石墨烯表面上残留物的存在。
通过使用顶部具有250nm厚的磁控溅射ITO层的相同种类的玻璃基板，可以获得采用氧化铟锡（ITO）层作为阳极接合电极的QD-LED结构。该导电层在lambda;= 550nm处显示Rs〜20Omega;/□和透光率T = 75％。我们通过原子力显微镜（AFM）分析石墨烯膜的表面，并将其与ITO的表面进行比较。 ITO和石墨烯的RMS表面粗糙度分别为1.58nm和0.51nm。考虑到所有这些要点，本工作中使用的合成石墨烯具有足够的质量用于电荷注入实验和QD-LED结构的制造。
电致发光激发通过使用具有可变输出的恒流源进行，因此，确保正在研究的样品的恒电流操作状态。本研究中使用的输出电流和阴极结尺寸的组合提供了0.2-1.4A / cm2范围内的励磁电流密度。发射光与CCD相机耦合到光栅单色仪。所有测量都以1 nm的光谱分辨率和1 s的CCD累积时间进行。

3.结果与讨论

3.1单个量子点的光发射

Figu re 2（a）显示了一个白色的光，一个原始的SLG片的光学成像沉积在玻璃上。 图2（b）示出了通过如上所述用488nm激光激发QD获得的与QD沉积相同的SLG片的PL图像。 图2（b）中的dar k区域包括图2（a）中的图形形状，并表明QDs光致发光的猝灭或可能不存在量子态。 然而，在图2（b）中由白色虚线限定并在图2（c）中示出的暗区域的详细PL扫描证实了在图形e上存在个体Q Ds。

后者PL我的法师通过使用更长的积累时间，因为来自QD的显着抑制光荧光信号。在与QD相关的无SL G区域中，SLG区域对应地观察到〜1 -15的PL查找。排列值与在a中测量的值相符类似的实例在[12]中报道。然而，他们将PL淬火的发生归因于重新测量能量y转移，转移，电荷转移：作者认为更宽的带隙ZnS壳体作为屏障f或电子或孔;外部配体外壳可以进一步抑制电子束缚在量子点和石墨烯之间。确认这个假设，参考文献[12]的作者比较了在石墨烯和无石墨烯区域上的单个C dSe / ZnS质量点上的光致发光间歇性（也称为“闪烁”）测量。 Sem图标量子点，特别是CdSe / ZnS核/壳量子点，已知t o表现出所谓的“闪烁”行为[30]。在QD的光照下，其中一个触发器可以被捕获，例如，在QD的表面缺陷状态。由于非辐射俄歇复合过程，这种纳米晶体变黑。在这样的时间之后，弹出的电荷e可能会返回QD，从而恢复电荷中性[31]。已经解释说，由于没有通过更快的能量转移过程抑制电荷陷阱（或转移），因此在r ef [12]中观察到的没有闪烁放置在石墨烯上的量子点。我们专注于同样的实践，我们的结果表明了相反的行为。图3（a）显示了典型的光致发光介质及其位于石墨烯外部的单个点阵的统计分析。 PL强度发生h直方图清楚地显示了二进制字符，揭示了开启和关闭状态[30]。然而，在平坦表面上观察到的f或QD相同的参数（图3（b）），但P L强度被显着抑制。因此，我们得出结论，我们的样品闪烁的量子点在我们的图面保留，因此，它作为电荷转移程序的间接确认。

由电子传输和能量转移引起的PL quenchin g的过程完全不同，属于物理学的两个独立领域：前者依赖于物理粒子的转移，而后者则依赖于能量的转移量子。对于具有II-VI量子点（特别是CdSe和PbS e）和组合的富勒烯[15]，碳纳米管[16]和亚甲基蓝的其他金属或半导体系统的组合物，证明了传输效应[32]。此外，典型的电荷转移速率为10-100ps的范围内的数值：显着高于能量转移报告值。这些传播速率与ref [12]中估计的不一致，表明作者可能忽视了他们在能量转移模型的框架内观察和解释的现象的动力学。

图3：（a）SiO 2表面上的量子点的光致发光闪烁动力学（左）和显示状态分布的直方图（右）; （b）石墨烯上的QD的闪烁统计（左）和各自的直方图（右）。 柱状图中的插图表示PL图像和经过PL闪烁记录的单个QD的位置。

3.2石墨烯-量子点光电晶体管

我们认为，直接探测QD敏化SLG样品的电性能可以排除电荷转移的可能性。然后，我们然后在QD激发期间表征后门控SLG场效应晶体管，以便研究SLG和量子点之间的相互作用的性质图4（a）[17]。电测量的可用性提供了关于光学测量的独立表征技术，以及对相关性和兴趣的物理量的探针的直接方式。石墨烯量子点光电晶体管的原理结构及其工作原理如图4（a）所示。图4（b）显示了正在研究的石墨烯-QD系统的能级图。描述的工作功能和能量水平可从文献中获得，用于CdSe，ZnS [33-34]和石墨烯[35]。制造的SLG FET显示中性点电压VNP〜0.2V，对应于可忽略的p掺杂。如上所述，真空退火步骤被认为是一个标准程序，当人们想要研究石墨烯的表面性质时，环境的影响可以忽略不计[36]。在感应电荷载流子密度为n〜1times;1012cm-2的情况下，QD沉积前估计的电子和空穴场效应迁移率为1times;104cm2V-1s-1的数量级。通过应用平面电容器模型计算载流子密度，表示为n =eta;Vg，其中在80nm厚的Al 2 O 3的情况下eta;= 8times;1011V-1cm-2 [22]。在打破真空之后，将QD溶液旋转浇铸到SLG FET上，然后将该装置重新装入测量室并泵回基底压力。这一步骤伴随着VNP从-0.2V向负电压（VNP = -1.9V）的移动，这表明即使在黑暗条件下SLG中也存在电子累积。感应电荷可以估计为n =eta;VNP= 1.5times;1012cm-2。 QD敏化SLG FET的传输特性对于不同的系统状态如图4（c）所示。观察到VNP从-1.9V向更负的电压的偏移（VNP = -3.4V），表明SLG中的电子积累通过与光激发的QD释放的电荷的相互作用而放大（图4（c））

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[140679]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word