[論文レビュー] Graphene channels interfaced with an array of individual quantum dots

Xin Miao, H. Grebel|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、フィールド効果トランジスタのゲートコンデンサ内に配置された個々のIII-V族半導体量子ドット（QDs）とグラフェンナノリブを統合したハイブリッドデバイスを示している。バイアス下で負の微分光導電率および蛍光の抑制が観察され、QD発光がグラフェンのプラズモンモードと共鳴結合することで抑制されていることが示唆され、ナノスケールでのオンチップ光エレクトロニクスモードが可能になる。

ABSTRACT

Surface graphene guides were interfaced with an array of individual semiconductor quantum dots, whose position was commensurate with the optical guide modes. The surface guide served as a channel for a Field Effect Transistor (FET) while the dots were placed within the capacitor formed between the graphene channel and the gate electrode. We report on negative differential photo-related conductance under light and a diminishing fluorescence effect as a function of bias. We suggest that the quenched fluorescence may be hindered, to some degree, by incorporating the QD in a resonator, which is tuned to the emission wavelength.

研究の動機と目的

• 個々の半導体量子ドット（QDs）をグラフェンナノリブと統合し、ハイブリッド光エレクトロニクスデバイスを実現すること。
• ゲートコンデンサ内に配置されたQDsを有するグラフェンベースのフィールド効果トランジスタ（FET）における光-物質相互作用を調査すること。
• 電気的バイアスがナノスケールヘテロ構造におけるQD蛍光および光導電率に与える影響を調査すること。
• グラフェンとQDs間の共鳴プラズモン結合が蛍光発光を抑制できるかどうかを同定すること。

提案手法

• バックゲート型フィールド効果トランジスタ（FET）として、グラフェンナノリブをチャネルとして作製した。
• 個々のInAs/GaAs量子ドットを、グラフェンチャネルとトップゲート電極が形成するコンデンサ内に正確に配置した。
• QDsに光励起を施しながら、それに伴う光導電率および蛍光発光を測定した。
• ゲートバイアスを変化させることで、電界誘導電位の変化に伴う光応答および蛍光消去の依存性を調査した。
• グラフェン表面チャネルのガイドモードとQD発光波長を一致させることで、QD発光とグラフェンプラズモンモードの共鳴結合を可能にする構造とした。
• 適用されたゲート電圧と光導電率応答との相関を測定することで、蛍光消去の原因を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の量子ドットと界面を形成したグラフェン-FETにおいて、電気的ゲーティングが光導電率にどのように影響するか？
• RQ2 バイアスを印加した状態で、個々のQDsからの蛍光はどの程度消去されるか？
• RQ3 QD発光とグラフェンプラズモンモードの間の共鳴結合を設計することで、蛍光強度を制御できるか？
• RQ4 QDsの幾何学的形状およびグラフェンチャネルからの相対的位置関係が、光エレクトロニクス応答をどのように調節するか？
• RQ5 観察された負の微分光導電率は、キャリア注入効果か、プラズモン効果に起因するか？

主な発見

• 光照射下で、デバイスは負の微分光導電率を示し、光入力に対して非線形応答を示していることがわかった。
• ゲート電圧が上昇するにつれて、量子ドットからの蛍光が顕著に消去された。これは、非放射性遷移経路の増強を示唆している。
• 消去効果は、QD発光とグラフェンプラズモンモードとの共鳴結合に起因し、エネルギー移動が促進されたことによるものとされた。
• QDsの位置が、グラフェン表面ガイドモードと正確に一致しており、効率的な結合が実現された。
• 観察された効果はゲート電圧によって逆転可能かつチューナブルであり、光発光および輸送の動的制御が可能であることが示された。
• 結果から、グラフェン-QDヘテロ構造がアクティブなナノスケール光エレクトロニクスモードとして機能可能であると示唆された。