一维（1D）垂直氮化物是非常有吸引力的发光二极管（LED）的应用，因为它们有助于克服传统GaN平面结构的缺点。然而，作为典型的一维GaN结构，GaN多量子阱（MQW）纳米线（NW）LED的内部量子效率（IQE）仍然很低，无法取代标准的平面LED。在这里，我们报告了一种通过引入石墨烯量子点（GQD）的核壳InGaN/GaN NW LED的光放大现象。当尺寸为5、10和20 nm的GQDs单独位于多量子阱中或同时位于多量子阱和p-GaN表面时，光致发光（PL）和电致发光（EL）强度显著增强，但当尺寸为30和40 nm的GQDs时，PL和EL增加较少，这与尺寸相关的光输出功率（OOP）和光提取效率（LEE）一致。GQD和MQW之间的载流子转移受尺寸相关的带隙变化和取决于是否在LED上施加正向偏置的带廓的强烈影响。这解释了为什么PL和EL光谱显示GQD的不同尺寸依赖性。通过在LED中加入GQD，OOP的变化由IQE而不是LEE控制。本研究的发现突出了通过在多量子阱和p-GaN表面引入GQD的简单方法显著增强GaN多量子阱NW LED的光发射，并且在广泛的光电子器件中具有很好的应用前景。
图1. （a） 在4英寸图案化蓝宝石衬底上制造的典型p–n InGaN/GaN多量子阱核壳NW示意图。将胶体GQDs溶液喷涂到多量子阱和/或p-GaN表面。（b） 由p-GaN、n-GaN和MQW组成的典型NW的顶面示意图。（c和d）分别为无/有GQD的典型NWs的b部分蓝色标记区域的低倍HRTEM图像。（e和f）NW顶面附近区域的高倍HRTEM图像，如d部分中的绿色和红色标记，清楚地显示了p-GaN上以及MQW和p-GaN之间存在GQD。
图2. （a） 直径为 ∼900 nm、长度为 ∼2 μm 的 NW 的倾斜视图 SEM 图像，表明整个区域的均匀性很高。（b） 无 GQD 的典型 p-n InGaN/GaN MQW 核壳西北示意图。（c） 低倍率 HRTEM 图像，显示无 GQD 的三周期 MQW 活性层的均匀形成。在界面 InGaN/GaN MQWs 边界附近未观察到有缺陷的结构。（d） 无 GQD 的 NW 中 MQW 的高倍率 HRTEM 图像。（e） 具有 GQD 的典型 p-n InGaN/GaN MQW 核壳 NW 的示意图。（f） HRTEM 图像显示 QB 层在包含 GQD 后厚度几乎翻了一番。（g-j） SEM 和 HRTEM 图像清楚地显示了 GQD 在 NW 上部区域的 MQW 和 p-GaN 之间的井位置。
图3. （a） 不同尺寸的GQD去离子水中 的 PL 谱图。（b） 各种尺寸的带 GQD 的 LED 的暗电流-电压 （I-V） 特性。（c） MQW 和/或 p-GaN 表面无/有 ∼10 nm GQD 的 LED 的 PL 光谱。（d） 在 50 mA 的注入电流下，MQW 和/或 p-GaN 表面没有/有 ∼10 nm GQD 的 LED 的 EL 光谱。
图4. （a） 各种尺寸的 MQW 和 p-GaN 表面有 GQD 的 LED 的注入电流依赖性 OOP，以及没有 GQD 的 LED。（b） LED 的 LEE 随各种尺寸的 GQD 密度的函数。在这里，仅对于没有 GQD 的 LED，LEE 在上轴上绘制为 MQW 周期（或对）的函数，从 3 到 10。
图5. 当 （a） GQD 的能隙大于 MQW 的能隙，以及 （b） 相反的情况下，描述了具有GQDs. PL过程的典型 p-n InGaN/GaN MQW 核壳 NW 的带图。（C 和 D）分别是无偏和正向偏频带图。当 GQD 的能量间隙大于 MQW 的能量间隙时，也会描述 EL 过程，反之亦然。
相关研究成果由庆熙大学Suk-Ho Choi课题组2025年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c20553)上。原文：Strong Enhancement of Light Emission in Core–Shell InGaN/GaN Multi-Quantum-Well Nanowire Light-Emitting Diodes by Incorporating Graphene Quantum Dots。
