基于纳米线/量子点径向复合结构的新型近红外光源研究

Due to the unique optical and electrical properties, low dimensional semiconductor materials, e. g. nanowires and quantum dots, have broad application prospects in new-generation solid-state nano-optoelectronic devices, particularly novel optical sources. However, limited by the structure and functions, optical sources based on nanowires or quantum dots individually have distinct disadvantages. Hybrid radial structures combining nanowires and quantum dots can take full advantage of the structural superiority of nanowires and excellent optical properties of quantum dots, exhibiting significant application potential in novel nanolasers and single photon sources. In this project, we will carry out systematic research on the theory and experiment of nanowire/quantum-dot optical sources, including deep revealing the luminescence dynamics of nanowire/quantum-dot hybrid radial structures, mastering the controllable preparation method of nanowire/quantum-dot hybrid radial structures, and fabricating novel optical sources including near-infrared nanolasers and single photon sources based on the nanowire/quantum-dot hybrid radial structures, which may promote the development of on-chip optical communication and interconnection, quantum communication and computation, and other related areas.

半导体纳米线、量子点等低维半导体材料具有独特的光学、电学特性，在新一代固态纳米光电子器件，特别是新型光源中有广阔应用前景。然而受结构和功能的限制，纳米线、量子点单独作为光源时会存在明显不足。将半导体纳米线与量子点有机结合起来形成径向复合结构，可以充分发挥纳米线的结构优势和量子点优异的光学性能，在新型纳米激光器和单光子源中具有重要应用潜力。本项目拟围绕纳米线/量子点光源展开系统的理论和实验研究工作，深入揭示纳米线/量子点径向复合结构的发光动力学机制，掌握纳米线/量子点径向复合结构的可控制备方法，研制基于纳米线/量子点径向复合结构的近红外纳米激光器、近红外单光子源等新型光源，推动片上光通信和光互连、量子通信和量子计算等相关领域的发展。

本项目围绕纳米线/量子点径向复合结构及其近红外光源等光电子器件开展了系统的理论和实验研究工作，在纳米线/量子点径向复合结构的可控生长与表征、纳米线复合结构近红外激光器、纳米线/量子点复合结构近红外单光子源、纳米线复合结构光伏器件等方面取得了重要进展。主要成果包括：1、制备出GaAs/InAs纳米线/量子点、 GaAs/AlAs/InAs纳米线核壳结构/量子点等高质量纳米线径向复合结构并进行了系统表征，揭示了其晶体结构和界面电荷分布特性。 2、提出一种基于GaAs/InGaAs纳米线/量子点径向复合结构的近红外纳米激光器，较纯GaAs纳米线激光器的阈值降低了1-2个数量级; 设计出基于V型银槽、光子晶体微腔和金属光栅的纳米线复合结构激光器，器件的尺寸和阈值均较传统器件有显著降低。3、提出了基于线性槽纳米腔和等离激元诱导透明效应的GaAs/InAs纳米线/量子点径向复合结构近红外单光子源器件结构，单光子发射速率较传统结构分别提升了600倍和2000倍。 4、提出了一种基于纳米线/量子点径向复合结构阵列的光伏器件结构，与纯纳米线阵列相比，器件的吸收波长显著拓展，光电转换效率明显提升。 5、制备出基于单根GaAs纳米线/石墨烯复合结构的肖特基型光伏器件，在AM1.5 G太阳光下，器件的开路电压、短路电流、转换效率分别为75.0 mV、425 mA cm-2和8.8%，优于大多数同类型器件；在此基础上，制备出基于单根GaAs纳米线/掺杂石墨烯的光伏器件，光电转换效率进一步提升到15.88%。基于上述研究成果，在Nanoscale等国际高水平学术期刊上发表SCI收录论文15篇，国际会议论文4篇。申请发明专利3项。依托项目培养博士研究生6名，硕士研究生6名，其中1人获北京邮电大学优秀博士学位论文。