Nature Communications：摻雜改性使得砷化鎵納米線輻射效率顯著提高

【新聞簡介】

納米線作為激光發射器件，被廣泛應用在集成光電子學以及芯片上的光學聯接和光學感應領域。但是，納米材料的輻射效率低一直以來都是該技術的主要難題。

在Nature Communications雜志上最新發表的文章報道，科研人員采用了摻雜改性技術使得未鈍化砷化鎵納米線的輻射效率提高了幾百倍。與之前用來提高輻射效率的途徑（降低非輻射再結合率）不同，該研究方法主要通過增加輻射再結合率來達到增強輻射效率的目的。

此研究中摻雜改性后的納米線應用性十分廣泛，能滿足各種各樣的設備形貌以及工作波長的要求。納米線極高的輻射效率為未來高速率方面的應用奠定了基礎。

【圖文導讀】

納米線的結構和光學特性：其中鋅摻雜導致了從純纖鋅礦晶體結構（圖1a-d）到閃鋅礦纏繞超晶格結構（圖1f-1i）的轉變；光致發光圖像的紅移和變寬如圖1-e所示。

圖1 摻雜前后的砷化鎵的結構，宏觀形貌和光致發光圖像：(a)未摻雜砷化鎵納米線的透射電鏡亮場圖像；(b) a圖中的堆垛層錯的高倍透射電鏡圖像；(c)未摻雜砷化鎵納米線的電子衍射花樣；(d)未摻雜砷化鎵納米線的透射電鏡圖像；(e)相同的激發條件下，摻雜與未摻雜的砷化鎵納米線的光致發光圖像對比；(f)摻雜砷化鎵納米線的透射電鏡圖像；(g)亮場圖像；(h) g圖中的部分放大高倍透射電鏡圖像；(i)已摻雜砷化鎵納米線的電子衍射花樣。

納米線壽命測試：通過摻雜改性，在輻射效率顯著提升的同時，摻雜砷化鎵納米線的室溫壽命僅僅只有百億分之一秒。

圖2 通過光致發光升頻轉換測得的載流子壽命：(a)摻雜砷化鎵納米線的輻射能量隨衰變時間的變化圖；(b)極短的壽命常常與非輻射表面再結合聯系起來；圖中展示的是3.44ps壽命的納米線，在2.18＊10⁶cm s^-1的表面再結合速率下，標準化強度隨衰變時間的變化規律。

絕對效率測量：為了進一步研究摻雜后輻射效率的升高，實驗測量了四個不同形貌和晶格結構的納米線的外部量子效率。

圖3 絕對量子效率測試：(a)未摻雜砷化鎵納米線的掃描電鏡圖像；(b)相應的光致發光圖像；(c)摻雜后的納米線掃描電鏡圖像。(d)相應的光致發光圖像；(e)a,c,g,i圖中納米線相應的外部量子效率；(g)(i)分別為另外兩種在不同的反應條件下生成的納米線的掃描電鏡圖像，g為在標準載流子密度下生成的TSL結構，i為在相對較低的載流子密度下生成的高缺陷閃鋅礦結構；(f)(h)為相應的光致發光圖像。

未鈍化納米線的室溫特性：在圖4中描述了一個特定的納米線從自發輻射到發射激光的轉變以及隨后的激光作用。

圖4 未鈍化砷化鎵納米線室溫下的激光特性：(a)功率相關光譜；(b)在泵強度接近閾值時的歸一化光譜圖；(c) 泵強度高于閾值時復合光學圖像的對數圖；(d)標準化綜合強度的對數圖；圖中明顯的非線性線條代表了開始發射激光的轉變；(e)反映d圖中的斜率效率的線條。

感謝材料人編輯部提供素材。

該論文發表在Nature Communications雜志上。

文獻地址：Doping-enhanced radiative efficiency enables lasing in unpassivated GaAs nanowires