[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究展示了一种混合器件，将石墨烯纳米带与阵列排列的单个III-V族半导体量子点（QDs）集成，量子点位于栅电容内部的场效应晶体管中。该系统在偏压下表现出负微分光电导率和荧光猝灭，表明量子点发光被石墨烯等离子体模式的共振耦合所抑制，为在纳米尺度实现片上光电器件调制提供了新途径。

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.

研究动机与目标

• 将单个半导体量子点（QDs）与石墨烯纳米带集成，用于混合光电器件。
• 研究石墨烯基场效应晶体管（FET）中量子点位于栅电容内时的光与物质相互作用。
• 探讨电场偏压对纳米异质结构中量子点荧光和光电导率的影响。
• 确定石墨烯与量子点之间是否存在共振等离子体耦合以抑制荧光发射。

提出的方法

• 以背栅场效应晶体管（FET）的沟道结构制备石墨烯纳米带。
• 将单个InAs/GaAs量子点精确放置于石墨烯沟道与顶栅电极形成的电容结构中。
• 对量子点施加光学激发，同时测量产生的光电导率和荧光发射。
• 通过调节栅极偏压，研究光电响应和荧光猝灭对静电势的依赖关系。
• 通过将量子点发射波长与石墨烯表面沟道的导模相匹配，设计系统以实现量子点发射与石墨烯等离子体模式之间的共振耦合。
• 测量结果以关联荧光猝灭与所施加栅压及光电导响应之间的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 当石墨烯-FET与单个量子点耦合时，电场栅压如何影响其光电导率？
• RQ2 在施加偏压下，单个QDs的荧光在石墨烯基异质结构中被猝灭的程度如何？
• RQ3 是否可通过工程化设计实现量子点发射与石墨烯等离子体模式之间的共振耦合，以调控荧光强度？
• RQ4 量子点相对于石墨烯沟道的几何形状和位置在调制光电响应中起什么作用？
• RQ5 所观察到的负微分光电导率是源于载流子注入还是等离子体效应？

主要发现

• 在光学照射下，该器件表现出负微分光电导率，表明对光输入具有非线性响应。
• 随着栅压增加，量子点的荧光显著猝灭，表明非辐射跃迁路径增强。
• 猝灭效应归因于量子点发射与石墨烯等离子体模式之间的共振耦合，该耦合增强了能量转移。
• 量子点的位置精确对准石墨烯表面导模的光学模式，实现了高效耦合。
• 所观察到的效应具有可逆性且可通过栅压调节，证明了对光发射与传输的动态调控能力。
• 结果表明，石墨烯-QD异质结构可作为有源纳米尺度光电器件调制器工作。