清华大学材料学院朱宏伟

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浙大林时胜＆清华朱宏伟AFM综述：量子点与石墨烯之间的相互作用及其在石墨烯基太阳能电池与光电探测器中的应用

2004年发现的石墨烯材料和二维材料因其优异的性能以及可在诸多领域得到应用而引起广泛的研究。众所周知，石墨烯是一种由碳原子以六方结构紧密排列所组成的蜂窝状晶体，本征石墨烯的价带与导带相交于狄拉克点处，带隙为零。石墨烯拥有很多优异的性能，包括微尺度弹道输运、超高的载流子迁移率、可调的光电特性等等。此外，由于特征尺寸的减小，石墨烯可以不受晶格匹配的限制而与其它半导体材料形成垂直的原子层厚度的异质结。这些独特的性能使石墨烯在光学和光电器件领域具备很好的应用价值。在过去的几十年中，石墨烯光/电器件的应用（如光探测器、太阳能电池、发光二极管、发电机等）已经在科学界得到广泛的探索，并在工业界崭露头角。对于石墨烯基太阳能电池和光电探测器，虽然有很多优点，但由于单层石墨烯和二维材料的吸光率有限，使得单独采用石墨烯和二维材料的光电器件难以达到应用级别的性能参数。通过量子点异质集成石墨烯，提升石墨烯的光吸收率和载流子寿命的一个有效的策略，从而提高器件的光电转换效率，达到光－电的高效转换。

近日，浙江大学的林时胜副教授和清华大学的朱宏伟教授等人针对石墨烯在太阳能电池和光电探测器中的最新进展，综述了不同量子点用于增强石墨烯光电应用的机理。尽管现在还难以精确解释量子点/石墨烯异质结构中的载流子输运过程，但其已在光电器件中展现出极大的优势。该成果系统地介绍了量子点的特性以及量子点/石墨烯异质结构的优势与相互作用的关键物理机理，定量分析了影响能量转移效率的因素。此外，还综述了量子点用于增强太阳能电池、光电探测器的研究进展，并讨论了量子点/二维材料异质结构所面临的挑战与未来的发展方向，同时提出了在图像传感、光通信、中远红外探测等领域的应用前景。相关成果以“The Interaction between Quantum Dots and Graphene: The Applications in Graphene-Based Solar Cells and Photodetectors”为题发表于Adv. Funct. Mater.上。

本文介绍了将零维量子点与高迁移率的二维石墨烯相结合的异质结构用于光电探测和光电转换领域的研究进展。虽然石墨烯基太阳能电池和光电探测器已经取得了一系列的进展，但仍存在亟待解决的问题阻碍了这些器件大规模的商业应用，需要更多深入的研究来完全理解量子点增强石墨烯光电器件的物理机制。在未来的工作中，该领域仍存在很多挑战但也有很多机遇，如零维材料增强的具有高效光功率转换的柔性太阳能电池、通过结合不同二维材料而实现的高性能光电探测器、石墨烯光电探测器在弱光探测和光通讯器件领域的开发与应用、重掺半导体量子点增强的石墨烯中远红外光电探测器光电探测器、量子点敏化的石墨烯图像传感器以及其他基于量子点/-二维材料异质结构的应用。总之，量子点增强的石墨烯光电器件已经取得了许多进展和突破，必将带来相应领域的技术革新。

文献连接：The Interaction between Quantum Dots and Graphene: The Applications in Graphene‐Based Solar Cells and Photodetectors（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804712）