浙大林时胜＆清华朱宏伟AFM综述：量子点与石墨烯之间的相互作用及其在石墨烯基太阳能电池与光电探测器中的应用

【引言】

2004年发现的石墨烯材料和二维材料因其优异的性能以及可在诸多领域得到应用而引起广泛的研究。众所周知，石墨烯是一种由碳原子以六方结构紧密排列所组成的蜂窝状晶体，本征石墨烯的价带与导带相交于狄拉克点处，带隙为零。石墨烯拥有很多优异的性能，包括微尺度弹道输运、超高的载流子迁移率、可调的光电特性等等。此外，由于特征尺寸的减小，石墨烯可以不受晶格匹配的限制而与其它半导体材料形成垂直的原子层厚度的异质结。这些独特的性能使石墨烯在光学和光电器件领域具备很好的应用价值。在过去的几十年中，石墨烯光/电器件的应用（如光探测器、太阳能电池、发光二极管、发电机等）已经在科学界得到广泛的探索，并在工业界崭露头角。对于石墨烯基太阳能电池和光电探测器，虽然有很多优点，但由于单层石墨烯和二维材料的吸光率有限，使得单独采用石墨烯和二维材料的光电器件难以达到应用级别的性能参数。通过量子点异质集成石墨烯，提升石墨烯的光吸收率和载流子寿命的一个有效的策略，从而提高器件的光电转换效率，达到光－电的高效转换。

导览图

【成果简介】

近日，浙江大学的林时胜副教授和清华大学的朱宏伟教授（共同通讯作者）等人针对石墨烯在太阳能电池和光电探测器中的最新进展，综述了不同量子点用于增强石墨烯光电应用的机理。尽管现在还难以精确解释量子点/石墨烯异质结构中的载流子输运过程，但其已在光电器件中展现出极大的优势。该成果系统地介绍了量子点的特性以及量子点/石墨烯异质结构的优势与相互作用的关键物理机理，定量分析了影响能量转移效率的因素。此外，还综述了量子点用于增强太阳能电池、光电探测器的研究进展，并讨论了量子点/二维材料异质结构所面临的挑战与未来的发展方向，同时提出了在图像传感、光通信、中远红外探测等领域的应用前景。相关成果以“The Interaction between Quantum Dots and Graphene: The Applications in Graphene-Based Solar Cells and Photodetectors”为题发表于Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一常见量子点的光学响应

双向箭头表示一种量子点的响应范围

图二 重掺半导体量子点的局域表面等离子共振

（a）光生载流子集体振荡所引起的重掺半导体量子点的局域表面等离子共振示意图
（b）不同尺寸Ag₂Se 量子点的吸收光谱
（c）不同浓度Sn掺杂的ITO 量子点的吸收光谱
（d）不同厚度CuS/ZnS异质结纳米晶的吸收光谱

图三 量子点与石墨烯异质结构中的非辐射能量转移

（a）InP 量子点在SiO₂和石墨烯衬底下的荧光光谱
（b）量子点/石墨烯异质结构的示意图，其中红色剪头表示光生空穴从量子点转移到石墨烯上
（c）量子点在石墨烯和石英上的荧光图像
（d）CdSe/CdS核/壳量子点在不同厚度的MgO介质/石墨烯衬底上的时间分辨荧光光谱
（e）MoS₂厚度对CdSe 量子点/MoS₂异质结中能量转移效率的影响

图四 量子点/二维材料异质结构的非辐射能量转移

（a）CdSe/CdZnS 量子点/二维材料异质结内建电场的数值模拟，黑色箭头表示载流子从量子点转移到二维材料材料的内部
（b）CdSe/CdZnS核/壳量子点在不同层数的MoS₂和石墨烯衬底上的时间分辨荧光光谱
（c）不同直径的CdSe/ZnS核/壳量子点和WS₂异质结构的能带结构量子点，绿色和紫色箭头表示电子传输，红色剪头表示空穴传输
（d）不同直径量子点/WS₂异质结构和量子点自身的时间分辨荧光光谱

图五 量子点增强的石墨烯/半导体异质结太阳能电池

（a）不同光功率下量子点/石墨烯异质结构的拉曼光谱
（b）随着光功率的增加，石墨烯和CdSe 量子点/石墨烯异质结构电阻变化曲线图
（c）在AM1.5G光照下太阳能电池的J-V曲线图，插图表示有和没有量子点的20个太阳能电池统计数值
（d）量子点增强石墨烯/半导体异质结太阳能电池外量子效率的测试结果
（e）量子点增强石墨烯/半导体异质结太阳能电池内量子效率的测试结果
（f）CdSe 量子点/石墨烯/CdTe异质结太阳能电池的能带图

图六 光电探测器在各个领域的应用

光电探测器在臭氧传感、天文研究、芯片间互联的光学链接、光通讯、石墨烯-CMOS集成图像传感器和生物成像等领域的应用

图七 几种增强石墨烯光电探测器的方法

（a）微腔增强的石墨烯光电探测器示意图，红色曲线是石墨烯光电探测器耦合微腔后的光电流
（b）波导增强的CMOS工艺兼容的石墨烯光电探测器示意图
（c）表面等离子体激元增强的石墨烯光电探测器示意图
（d）具有非对称电极的石墨烯光电探测器
（e）石墨烯/MoS₂/石墨烯异质结构光探测器的SEM图像
（f）Bi₂Te₃纳米片材增强的石墨烯光电探测器的I-V曲线
图八 光伏型光电探测器及其光电响应

（a）石墨烯/Si异质结光电探测器
（b）当入射光功率增加到P=6.5 mW时，石墨烯/Si异质结器件的I-V曲线，红色虚线代表P=6.5 mW时理想的光电二极管的I-V曲线
（c）石墨烯/GaAs光电探测器的能带图
（d）石墨烯/h-BN/GaAs异质结中的光生载流子产生-分离示意图
（e）在波长为850 nm入射光激发下，GaAs表面有与无AlO_x 的光电探测器的光电响应
（f）在波长为850 nm入射光激发下，GaAs表面有与无AlO_x的光电探测器的响应时间

图九 PbS 量子点敏化的石墨烯光电探测器

（a）PbS QD敏化的石墨烯光电晶体管的器件结构
（b）PbS 量子点的电子-空穴分离，在近红外光照射下光生空穴可以转移到石墨烯中，提高光生载流子的寿命、减小石墨烯的面电阻，从而提升器件性能
（c、d）在增加光照强度的情况下，石墨烯和石墨烯/PbS 量子点异质结构沟道电流、电阻变化情况量子点量子点
图十 量子点增强石墨烯紫外光电探测器

（a）量子点/石墨烯/半导体光电探测器的示意图
（b）ZnO 量子点增强的石墨烯/h-BN/GaN 紫外光电探测器的响应
（c、d）暗态和紫外光激发下，有无Zn(Ac)电荷迁移阻挡层的ZnO 量子点/石墨烯异质结能带图

【小结】

本文介绍了将零维量子点与高迁移率的二维石墨烯相结合的异质结构用于光电探测和光电转换领域的研究进展。虽然石墨烯基太阳能电池和光电探测器已经取得了一系列的进展，但仍存在亟待解决的问题阻碍了这些器件大规模的商业应用，需要更多深入的研究来完全理解量子点增强石墨烯光电器件的物理机制。在未来的工作中，该领域仍存在很多挑战但也有很多机遇，如零维材料增强的具有高效光功率转换的柔性太阳能电池、通过结合不同二维材料而实现的高性能光电探测器、石墨烯光电探测器在弱光探测和光通讯器件领域的开发与应用、重掺半导体量子点增强的石墨烯中远红外光电探测器光电探测器、量子点敏化的石墨烯图像传感器以及其他基于量子点/-二维材料异质结构的应用。总之，量子点增强的石墨烯光电器件已经取得了许多进展和突破，必将带来相应领域的技术革新。

文献连接：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）