界面掺杂调控取得重要进展:ZnO单纳米线光电性能实现优质集成

左:ZnO单纳米线光电性能优质集成(左上)及其CVD再生长示意图(左下),中:界面掺杂纳米线横截面的HAADF-STEM像,右:界面掺杂纳米线的电学(右上)和光学性质(右下)与常规纳米线之比较。

ZnO纳米线有着完美的光学纳腔结构和室温下丰富的多量子态耦合作用,不仅是凝聚态物理和量子光学领域的重要研究对象,也是纳米尺度紫外光子学和光电器件的候选材料之一。要实现纳米尺度的优质紫外光源,必须使ZnO纳米线同时拥有高效的带边发光和优良的电学性质,但现有的体掺杂方式难以同时满足上述要求。这是因为优良的电学性质要求材料通过掺杂提供浓度足够高的自由载流子,而过多的掺杂必将导致带边辐射复合效率的显著下降。 

针对上述挑战,合肥微尺度物质科学国家实验室的博士生丁怀义和潘楠副研究员等人,提出了一种新颖的纳米线界面掺杂策略,通过发展CVD再生长技术,制备出具有“核-界面-壳”结构的ZnO纳米线,其电导率高达4×104 S/m,比常规纳米线提高一个量级以上,不仅电子浓度高一个量级,迁移率也明显改善;而且其带边发光强度也高出一个量级。通过进一步的高分辨表征发现界面层(~3 nm)存在显著的Zn富集。结合耗尽层和积累层理论,他们给出了光、电性能集成的机制:界面Zn掺杂提供高浓度的自由电子,这些自由电子在界面区域形成准二维电子气,导致优异的电学性能;同时,界面层又会显著减少激子向纳米线表面耗尽层扩散并被消解的几率,从而提高激子的带边发射效率。这一策略可以打破传统ZnO材料光、电性能的内在相互制约,实现高效带边发光和优良电学性能在单纳米线内的优质集成,对设计和制备基于ZnO的高性能纳米光电器件具有重要的指导意义。

这项工作得到了科技部重大研究计划、国家自然科学基金、科学院战略性先导科技专项等项目的资助。 

来源:中国科大新闻网