一維（1D）垂直氮化物是非常有吸引力的發(fā)光二極管（LED）的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冇兄诳朔鹘y(tǒng)GaN平面結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。然而，作為典型的一維GaN結(jié)構(gòu)，GaN多量子阱（MQW）納米線（NW）LED的內(nèi)部量子效率（IQE）仍然很低，無(wú)法取代標(biāo)準(zhǔn)的平面LED。在這里，我們報(bào)告了一種通過(guò)引入石墨烯量子點(diǎn)（GQD）的核殼InGaN/GaN NW LED的光放大現(xiàn)象。當(dāng)尺寸為5、10和20 nm的GQDs單獨(dú)位于多量子阱中或同時(shí)位于多量子阱和p-GaN表面時(shí)，光致發(fā)光（PL）和電致發(fā)光（EL）強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，但當(dāng)尺寸為30和40 nm的GQDs時(shí)，PL和EL增加較少，這與尺寸相關(guān)的光輸出功率（OOP）和光提取效率（LEE）一致。GQD和MQW之間的載流子轉(zhuǎn)移受尺寸相關(guān)的帶隙變化和取決于是否在LED上施加正向偏置的帶廓的強(qiáng)烈影響。這解釋了為什么PL和EL光譜顯示GQD的不同尺寸依賴性。通過(guò)在LED中加入GQD，OOP的變化由IQE而不是LEE控制。本研究的發(fā)現(xiàn)突出了通過(guò)在多量子阱和p-GaN表面引入GQD的簡(jiǎn)單方法顯著增強(qiáng)GaN多量子阱NW LED的光發(fā)射，并且在廣泛的光電子器件中具有很好的應(yīng)用前景。
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圖1. （a） 在4英寸圖案化藍(lán)寶石襯底上制造的典型p–n InGaN/GaN多量子阱核殼NW示意圖。將膠體GQDs溶液噴涂到多量子阱和/或p-GaN表面。（b） 由p-GaN、n-GaN和MQW組成的典型NW的頂面示意圖。（c和d）分別為無(wú)/有GQD的典型NWs的b部分藍(lán)色標(biāo)記區(qū)域的低倍HRTEM圖像。（e和f）NW頂面附近區(qū)域的高倍HRTEM圖像，如d部分中的綠色和紅色標(biāo)記，清楚地顯示了p-GaN上以及MQW和p-GaN之間存在GQD。
圖2. （a） 直徑為 ∼900 nm、長(zhǎng)度為 ∼2 μm 的 NW 的傾斜視圖 SEM 圖像，表明整個(gè)區(qū)域的均勻性很高。（b） 無(wú) GQD 的典型 p-n InGaN/GaN MQW 核殼西北示意圖。（c） 低倍率 HRTEM 圖像，顯示無(wú) GQD 的三周期 MQW 活性層的均勻形成。在界面 InGaN/GaN MQWs 邊界附近未觀察到有缺陷的結(jié)構(gòu)。（d） 無(wú) GQD 的 NW 中 MQW 的高倍率 HRTEM 圖像。（e） 具有 GQD 的典型 p-n InGaN/GaN MQW 核殼 NW 的示意圖。（f） HRTEM 圖像顯示 QB 層在包含 GQD 后厚度幾乎翻了一番。（g-j） SEM 和 HRTEM 圖像清楚地顯示了 GQD 在 NW 上部區(qū)域的 MQW 和 p-GaN 之間的井位置。
圖3. （a） 不同尺寸的GQD去離子水中 的 PL 譜圖。（b） 各種尺寸的帶 GQD 的 LED 的暗電流-電壓 （I-V） 特性。（c） MQW 和/或 p-GaN 表面無(wú)/有 ∼10 nm GQD 的 LED 的 PL 光譜。（d） 在 50 mA 的注入電流下，MQW 和/或 p-GaN 表面沒(méi)有/有 ∼10 nm GQD 的 LED 的 EL 光譜。
圖4. （a） 各種尺寸的 MQW 和 p-GaN 表面有 GQD 的 LED 的注入電流依賴性 OOP，以及沒(méi)有 GQD 的 LED。（b） LED 的 LEE 隨各種尺寸的 GQD 密度的函數(shù)。在這里，僅對(duì)于沒(méi)有 GQD 的 LED，LEE 在上軸上繪制為 MQW 周期（或?qū)Γ┑暮瘮?shù)，從 3 到 10。
圖5. 當(dāng) （a） GQD 的能隙大于 MQW 的能隙，以及 （b） 相反的情況下，描述了具有GQDs. PL過(guò)程的典型 p-n InGaN/GaN MQW 核殼 NW 的帶圖。（C 和 D）分別是無(wú)偏和正向偏頻帶圖。當(dāng) GQD 的能量間隙大于 MQW 的能量間隙時(shí)，也會(huì)描述 EL 過(guò)程，反之亦然。
相關(guān)研究成果由慶熙大學(xué)Suk-Ho Choi課題組2025年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c20553)上。原文：Strong Enhancement of Light Emission in Core–Shell InGaN/GaN Multi-Quantum-Well Nanowire Light-Emitting Diodes by Incorporating Graphene Quantum Dots
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
