石墨烯与半导体纳米结构的耦合及光电性能研究

The graphene based optoelectronic devices are believed to be one of the most promising applications. However, the zero bandgap structure of graphene limits its optical absorption as well as shortens its electron-hole pair lift-time. Semiconductor nanostructures have size tunable optical properties and ultrahigh optical absorption and emission quantum efficiency. By combing graphene and semiconductor nanostuctures to form hybrid structure, we can utilize both the superior electrical properties of graphene and the exceptional optical properties of nanostructures, hence could greatly enhance the optoelectronic properties. Till now, the systematical study of the interaction between graphene and semiconductor nanostructures is still lack, which in some sense limits the quick development of this interesting research area. In this project, we will study the electron/energy transfer between graphene and semiconductor nanostructures, as well as the changes of properties of these two materials after interaction. We will also modulate the electron interaction between these two materials, in order to satisfy the requirement of different optoelectronic devices. Finally, the optoelectronic properties (i.e. photoresponse) of this hybrid structure will be studied. The results obtained in this project will great help on the future development of high efficiency optoelectronic devices based on this hybrid structure. Finally, the study of the interaction between graphene and semiconductor nanostructures is also of great scientific importance.

基于石墨烯的光电器件被认为是未来极具潜力的应用方向。然而石墨烯的零带隙能带结构决定了其较低的光学吸收以及短暂的电子空穴对寿命。半导体纳米结构具有可调制的光学特性以及极高的光学吸收及荧光发射量子效率，将其与石墨烯复合能充分利用石墨烯突出的电学性能以及纳米结构优异的光学特性，有望显著的提升光电性能。但是，目前对于两者间耦合机制的研究还非常匮乏，这也一定程度上制约了该领域的迅速发展。本项目将研究石墨烯与半导体纳米结构间的电荷/能量转移机制，以及相互作用所导致的两者性能变化，并通过不同手段调控两者间电子耦合强度以满足不同光电器件的需求。最后测试并优化该复合材料的光电特性（主要研究其光电响应）。项目的研究成果对于未来设计更成熟的石墨烯光电复合材料具有非常重要的指导作用，同时对于石墨烯与半导体纳米结构的耦合机理研究也极具科学研究价值。

过去四年中，针对石墨烯-半导体复合结构的光学与光电性能研究，我们主要开展了以下几个方面的研究工作：（1）石墨烯与半导体纳米结构的耦合相互作用研究。通过拉曼及荧光光谱研究了石墨烯与半导体纳米结构之间的耦合相互作用，并通过石墨烯中缺陷态的引入调控两者间的电荷转移与能量传递。（2）基于界面态控制的石墨烯-半导体异质结构的光电特性研究。提出了全新的界面态光响应机制，并实现了基于石墨烯的高性能、宽波段光探测器。（3）二维硫属化合物中的缺陷表征与缺陷工程调控。通过低温荧光光谱对二硫化钼等硫属化合物中的缺陷进行表征。并提出通过氧等离子辐照的方式修复/钝化硫属化合物中的缺陷，提升其光学与电学性能。项目所取得的结果对于二维材料光学性质的研究以及新型、高性能光电器件的开发具有重要的指导作用。截至目前，共发表论文32篇，其中通讯作者论文24篇，包括Light: Science & Applications，ACS Nano，Optica 2篇，Nano Research 2篇，IEEE Electron Device Letters, Applied Physics Letters 3篇等。项目相关成果也申请国内发明专利7项，其中授权3项。项目共培养博士研究生9人，硕士研究生11人。在本项目研究的基础上，项目负责人获得了国家重点研发计划子课题（负责人）以及国家自然科学基金面上项目的资助。