Nature Communications：掺杂改性使得砷化镓纳米线辐射效率显著提高

【新闻简介】

纳米线作为激光发射器件，被广泛应用在集成光电子学以及芯片上的光学联接和光学感应领域。但是，纳米材料的辐射效率低一直以来都是该技术的主要难题。

在Nature Communications杂志上最新发表的文章报道，科研人员采用了掺杂改性技术使得未钝化砷化镓纳米线的辐射效率提高了几百倍。与之前用来提高辐射效率的途径（降低非辐射再结合率）不同，该研究方法主要通过增加辐射再结合率来达到增强辐射效率的目的。

此研究中掺杂改性后的纳米线应用性十分广泛，能满足各种各样的设备形貌以及工作波长的要求。纳米线极高的辐射效率为未来高速率方面的应用奠定了基础。

【图文导读】

纳米线的结构和光学特性：其中锌掺杂导致了从纯纤锌矿晶体结构（图1a-d）到闪锌矿缠绕超晶格结构（图1f-1i）的转变；光致发光图像的红移和变宽如图1-e所示。

图1 掺杂前后的砷化镓的结构，宏观形貌和光致发光图像：(a)未掺杂砷化镓纳米线的透射电镜亮场图像；(b) a图中的堆垛层错的高倍透射电镜图像；(c)未掺杂砷化镓纳米线的电子衍射花样；(d)未掺杂砷化镓纳米线的透射电镜图像；(e)相同的激发条件下，掺杂与未掺杂的砷化镓纳米线的光致发光图像对比；(f)掺杂砷化镓纳米线的透射电镜图像；(g)亮场图像；(h) g图中的部分放大高倍透射电镜图像；(i)已掺杂砷化镓纳米线的电子衍射花样。

纳米线寿命测试：通过掺杂改性，在辐射效率显著提升的同时，掺杂砷化镓纳米线的室温寿命仅仅只有百亿分之一秒。

图2 通过光致发光升频转换测得的载流子寿命：(a)掺杂砷化镓纳米线的辐射能量随衰变时间的变化图；(b)极短的寿命常常与非辐射表面再结合联系起来；图中展示的是3.44ps寿命的纳米线，在2.18＊10⁶cm s^-1的表面再结合速率下，标准化强度随衰变时间的变化规律。

绝对效率测量：为了进一步研究掺杂后辐射效率的升高，实验测量了四个不同形貌和晶格结构的纳米线的外部量子效率。

图3 绝对量子效率测试：(a)未掺杂砷化镓纳米线的扫描电镜图像；(b)相应的光致发光图像；(c)掺杂后的纳米线扫描电镜图像。(d)相应的光致发光图像；(e)a,c,g,i图中纳米线相应的外部量子效率；(g)(i)分别为另外两种在不同的反应条件下生成的纳米线的扫描电镜图像，g为在标准载流子密度下生成的TSL结构，i为在相对较低的载流子密度下生成的高缺陷闪锌矿结构；(f)(h)为相应的光致发光图像。

未钝化纳米线的室温特性：在图4中描述了一个特定的纳米线从自发辐射到发射激光的转变以及随后的激光作用。

图4 未钝化砷化镓纳米线室温下的激光特性：(a)功率相关光谱；(b)在泵强度接近阈值时的归一化光谱图；(c) 泵强度高于阈值时复合光学图像的对数图；(d)标准化综合强度的对数图；图中明显的非线性线条代表了开始发射激光的转变；(e)反映d图中的斜率效率的线条。

感谢材料人编辑部提供素材。

该论文发表在Nature Communications杂志上。

文献地址：Doping-enhanced radiative efficiency enables lasing in unpassivated GaAs nanowires