近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在界面摻雜調(diào)控研究中取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了ZnO單納米線光電性能優(yōu)質(zhì)集成。相關(guān)研究成果發(fā)表在5月21日出版的Adv. Mater.雜志上。
ZnO納米線有著完美的光學(xué)納腔結(jié)構(gòu)和室溫下豐富的多量子態(tài)耦合作用，不僅是凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)領(lǐng)域的重要研究對(duì)象，也是納米尺度紫外光子學(xué)和光電器件的候選材料之一。要實(shí)現(xiàn)納米尺度的優(yōu)質(zhì)紫外光源，必須使ZnO納米線同時(shí)擁有高效的帶邊發(fā)光和優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，但現(xiàn)有的體摻雜方式難以同時(shí)滿足上述要求。這是因?yàn)閮?yōu)良的電學(xué)性質(zhì)要求材料通過摻雜提供濃度足夠高的自由載流子，而過多的摻雜必將導(dǎo)致帶邊輻射復(fù)合效率的顯著下降。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究人員提出了一種新穎的納米線界面摻雜策略，通過發(fā)展CVD再生長(zhǎng)技術(shù)，制備出具有“核-界面-殼”結(jié)構(gòu)的ZnO納米線，其電導(dǎo)率高達(dá)4×104 S/m，比常規(guī)納米線提高一個(gè)量級(jí)以上，且其帶邊發(fā)光強(qiáng)度也高出一個(gè)量級(jí)。通過進(jìn)一步的高分辨表征發(fā)現(xiàn)：界面Zn摻雜提供高濃度的自由電子，這些自由電子在界面區(qū)域形成準(zhǔn)二維電子氣，導(dǎo)致優(yōu)異的電學(xué)性能；同時(shí)，界面層又會(huì)顯著減少激子向納米線表面耗盡層擴(kuò)散并被消解的幾率，從而提高激子的帶邊發(fā)射效率。
新的策略打破了傳統(tǒng)ZnO材料光電性能的內(nèi)在相互制約，實(shí)現(xiàn)了高效帶邊發(fā)光和優(yōu)良電學(xué)性能在單納米線內(nèi)的優(yōu)質(zhì)集成，這將對(duì)設(shè)計(jì)和制備基于ZnO的高性能納米光電器件具有重要的指導(dǎo)意義。論文的第一作者是該國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士生丁懷義。
上述研究工作得到了科技部重大研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
