Ukrainian Journal of Physical Optics


2024 Volume 25, Issue 1


ISSN 1609-1833 (Print)


NANOMATERIALS FOR OPTOELECTRONICS: AN OVERVIEW.

1,2Golovynskyi S.

1College of Physics and Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, 518060 Shenzhen, P. R. China, serge@szu.edu.cn
2Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences, 03028 Kyiv, Ukraine

ABSTRACT

Optoelectronics focuses on light-emitting and light-detecting devices and investigation of the materials used for their fabrication. Usually, the light-emitting devices are lamps, LEDs, laser diodes and gain-medium lasers, while the light-detecting devices are represented by photodiodes, photovoltaic solar cells, photoresistors, phototransistors, etc. The above field also covers the studies of emission of materials under different stimuli and interaction of light with different types of materials, mostly semiconductors and metal nanostructures. A technological progress in the materials science has instigated development of nanomaterials and optoelectronic devices on their basis. They can be divided into two-dimensional (2D) quantum wells, films or sheets, 1D nanowires and 0D quantum dots. 2D graphene-like layered materials, quantum dots and metal nanoparticles for optoelectronic applications are the most investigated. As a matter of fact, a global scientific trend associated with the nanomaterials is currently transforming our technologies and industry and represents the most ambitious course of the present and future optoelectronics.

Keywords: nanomaterials, optoelectronics, quantum confinement, emission, photovoltaics, solar energy

UDC: 539.51+681.7

    1. Rabouw, F.T., de Mello Donega, C. (2016). Excited-State Dynamics in Colloidal Semiconductor Nanocrystals. Topics in Current Chemistry (Z) 374, 58. doi:10.1007/s41061-016-0060-0
    2. de Mello Donegá, C. (2011). Synthesis and properties of colloidal heteronanocrystals. Chemical Society Reviews, 40(3), 1512-1546. doi:10.1039/C0CS00055H
    3. Holonyak, N., Kolbas, R., Dupuis, R., & Dapkus, P. (1980). Quantum-well heterostructure lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics, 16(2), 170-186. doi:10.1109/JQE.1980.1070447
    4. Krispin, P., Lazzari, J. L., & Kostial, H. (1998). Deep and shallow electronic states at ultrathin InAs insertions in GaAs investigated by capacitance spectroscopy. Journal of applied physics, 84(11), 6135-6140. doi:10.1063/1.368927
    5. Michler, P., Kiraz, A., Becher, C., Schoenfeld, W. V., Petroff, P. M., Zhang, L., Hu, E., & Imamoglu, A. (2000). A quantum dot single-photon turnstile device. Science, 290(5500), 2282-2285. doi:10.1126/science.290.5500.2282
    6. Semenova, E. S., Zhukov, A. E., Mikhrin, S. S., Egorov, A. Y., Odnoblyudov, V. A., Vasil’ev, A. P., Nikitina, E. V., Kovsh, A. R., Kryzhanovskaya, N. V., Gladyshev, A. G., Blokhin, S. A., Musikhin, Y. G., Maximov, M. V., Shernyakov, Y. M., Ustinov, V. M. & Ledentsov, N. N. (2004). Metamorphic growth for application in long-wavelength (1.3–1.55 µm) lasers and MODFET-type structures on GaAs substrates. Nanotechnology, 15(4), S283. doi:10.1088/0957-4484/15/4/031
    7. Golovynskyi, S., Datsenko, O. I., Seravalli, L., Trevisi, G., Frigeri, P., Gombia, E., Babichuk, I., Lin, D., Li, B., & Qu, J. (2020). Near-infrared lateral photoresponse in InGaAs/GaAs quantum dots. Semiconductor Science and Technology, 35(5), 055029. doi:10.1088/1361-6641/ab7774
    8. Seravalli, L. (2023). Metamorphic InAs/InGaAs quantum dots for optoelectronic devices: A review. Microelectronic Engineering, 111996. doi:10.1016/j.mee.2023.111996
    9. Lee, S. J., Ku, Z., Barve, A., Montoya, J., Jang, W. Y., Brueck, S. R. J., Sundaram, M., Reisinger, A., Krishna, S., & Noh, S. K. (2011). A monolithically integrated plasmonic infrared quantum dot camera. Nature communications, 2(1), 286. doi:10.1038/ncomms1283
    10. Mukherjee, S., Maiti, R., Katiyar, A. K., Das, S., & Ray, S. K. (2016). Novel colloidal MoS2 quantum dot heterojunctions on silicon platforms for multifunctional optoelectronic devices. Scientific reports, 6(1), 29016. doi:10.1038/srep29016
    11. Babichuk, I. S., Semenenko, M. O., Golovynskyi, S., Caballero, R., Datsenko, O. I., Babichuk, I. V., Li, J., Xu, G., Qiu, R., Huang, C., Hu, R., Golovynska, I., Ganus, V., Li, B., Qu, J., & Leon, M. (2019). Control of secondary phases and disorder degree in Cu2ZnSnS4 films by sulfurization at varied subatmospheric pressures. Solar Energy Materials and Solar Cells, 200, 109915. doi:10.1016/j.solmat.2019.109915
    12. Liu, Z., Lin, C. H., Hyun, B. R., Sher, C. W., Lv, Z., Luo, B., Jiang, F., Wu, T., Ho, C. H., Kuo, H. C., & He, J. H. (2020). Micro-light-emitting diodes with quantum dots in display technology. Light: Science & Applications, 9(1), 83. doi:10.1038/s41377-020-0268-1
    13. Kwoen, J., Imoto, T., & Arakawa, Y. (2021). InAs/InGaAs quantum dot lasers on multi-functional metamorphic buffer layers. Optics Express, 29(18), 29378-29386. doi:10.1364/OE.433030
    14. Zhao, H., & Rosei, F. (2017). Colloidal quantum dots for solar technologies. Chem, 3(2), 229-258. doi:10.1016/j.chempr.2017.07.007
    15. Liu, M., Yazdani, N., Yarema, M., Jansen, M., Wood, V., & Sargent, E. H. (2021). Colloidal quantum dot electronics. Nature Electronics, 4(8), 548-558. doi:10.1038/s41928-021-00632-7
    16. Wood, V., & Bulović, V. (2010). Colloidal quantum dot light-emitting devices. Nano reviews, 1(1), 5202. doi:10.3402/nano.v1i0.5202
    17. Han, H. V., Lin, C. C., Tsai, Y. L., Chen, H. C., Chen, K. J., Yeh, Y. L., Lin, W. Y., Kuo, H. C. & Yu, P. (2014). A highly efficient hybrid GaAs solar cell based on colloidal-quantum-dot-sensitization. Scientific reports, 4(1), 5734. doi:10.1038/srep05734
    18. Zhao, J., Chen, L., Li, D., Shi, Z., Liu, P., Yao, Z., Yang H, Zou, T., Zhao, B., Zhang, X., Zhou, H., Yang, Y., Cao, W., Yan, X., Zhang, S., & Sun, X. W. (2021). Large-area patterning of full-color quantum dot arrays beyond 1000 pixels per inch by selective electrophoretic deposition. Nature Communications, 12(1), 4603. doi:10.1038/s41467-021-24931-x
    19. Hsu, Y. F., Xi, Y. Y., Djurišić, A. B., & Chan, W. K. (2008). ZnO nanorods for solar cells: hydrothermal growth versus vapor deposition. Applied Physics Letters, 92(13), 133507. doi:10.1063/1.2906370
    20. Wen, S., Liu, Y., Wang, F., Lin, G., Zhou, J., Shi, B., Suh, Y. D., & Jin, D. (2020). Nanorods with multi­dimensional optical information beyond the diffraction limit. Nature communications, 11(1), 6047. doi:10.1038/s41467-020-19952-x
    21. Wang, J., Liu, L., Chen, S., Qi, L., Zhao, M., Zhao, C., Tang, J., Cai, X., Lu, F., & Jiu, T. (2022). Growth of 1D nanorod perovskite for surface passivation in FAPbI3 perovskite solar cells. Small, 18(3), 2104100. doi:10.1002/smll.202104100
    22. Laumier, S., Farrow, T., van Zalinge, H., Seravalli, L., Bosi, M., & Sandall, I. (2022). Selection and Functionalization of Germanium Nanowires for Bio-Sensing. ACS omega, 7(39), 35288-35296. doi:10.1021/acsomega.2c04775
    23. Huang, G., Lv, C., He, J., Zhang, X., Zhou, C., Yang, P., Tan. Y., & Huang, H. (2020). Study on preparation and characterization of graphene based on ball milling method. Journal of Nanomaterials, 2020, 1-11. doi:10.1155/2020/2042316
    24. Karimi, H., Yusof, R., Rahmani, R., & Ahmadi, M. T. (2013). Optimization of DNA sensor model based nanostructured graphene using particle swarm optimization technique. Journal of Nanomaterials, 2013, 789454 doi:10.1155/2013/789454
    25. Mak, K. F., Lee, C., Hone, J., Shan, J., & Heinz, T. F. (2010). Atomically thin MoS2: a new direct-gap semiconductor. Physical review letters, 105(13), 136805. doi:10.1103/PhysRevLett.105.136805
    26. Li, Z., Ye, R., Feng, R., Kang, Y., Zhu, X., Tour, J. M., & Fang, Z. (2015). Graphene quantum dots doping of MoS2 monolayers. Advanced Materials, 27(35), 5235-5240. doi:10.1002/adma.201501888
    27. Shu, Y., Guo, J., Fan, T., Xu, Y., Guo, P., Wang, Z., Wu, L., Ge, Y., Lin, Z., Ma, D., Wei, S., Li, J., Zhang, H., & Chen, W. (2020). Two-dimensional black arsenic phosphorus for ultrafast photonics in near-and mid-infrared regimes. ACS Applied Materials & Interfaces, 12(41), 46509-46518. doi:10.1021/acsami.0c12408
    28. Golovynskyi, S., Datsenko, O. I., Dong, D., Lin, Y., Irfan, I., Li, B., Lin, D., & Qu, J. (2021). Trion binding energy variation on photoluminescence excitation energy and power during direct to indirect bandgap crossover in monolayer and few-layer MoS2. The Journal of Physical Chemistry C, 125(32), 17806-17819. doi:10.1021/acs.jpcc.1c04334
    29. Golovynskyi, S., Dong, D., Lin, Y., Datsenko, O. I., & Li, B. (2021). Hexagram bi-layer MoS2 flake: The impact of polycrystallinity and strains on the exciton and trion photoluminescence. Surfaces and Interfaces, 26, 101343. doi:10.1016/j.surfin.2021.101343
    30. Usman, M., Golovynskyi, S., Dong, D., Lin, Y., Yue, Z., Imran, M., Li, B., Wu, H., & Wang, L. (2022). Raman scattering and exciton photoluminescence in few-layer GaSe: Thickness-and temperature-dependent behaviors. The Journal of Physical Chemistry C, 126(25), 10459-10468. doi:10.1021/acs.jpcc.2c02127
    31. Golovynskyi, S., Datsenko, O. I., Usman, M., Pérez-Jiménez, A. I., Chaigneau, M., Bosi, M., Seravalli, L., Hidouri, T., Golovynska, I., Li, B., & Wu, H. (2023). Free exciton and bound excitons on Pb and I vacancies and O and I substituting defects in PbI2: Photoluminescence and DFT calculations. Applied Surface Science, 624, 157128. doi:10.1016/j.apsusc.2023.157128
    32. Lai, G. J., Lyu, L. M., Huang, Y. S., Lee, G. C., Lu, M. P., Perng, T. P., Lu, M. Y., & Chen, L. J. (2021). Few-layer WS2–MoS2 in-plane heterostructures for efficient photocatalytic hydrogen evolution. Nano Energy, 81, 105608. doi:10.1016/j.nanoen.2020.105608
    33. Irfan, I., Golovynskyi, S., Yeshchenko, O. A., Bosi, M., Zhou, T., Xue, B., Li, B., & Seravalli, L. (2022). Plasmonic enhancement of exciton and trion photoluminescence in 2D MoS2 decorated with Au nanorods: Impact of nonspherical shape. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 140, 115213. doi:10.1016/j.physe.2022.115213
    34. Golovynskyi, S., Bosi, M., Seravalli, L., & Li, B. (2021). MoS2 two-dimensional quantum dots with weak lateral quantum confinement: Intense exciton and trion photoluminescence. Surfaces and Interfaces, 23, 100909. doi:10.1016/j.surfin.2020.100909
    35. Park, K. H., Jung, S., Kim, J., Ko, B. M., Shim, W. G., Hong, S. J., & Song, S. H. (2021). Boosting photovoltaic performance in organic solar cells by manipulating the size of MoS2 quantum dots as a hole-transport material. Nanomaterials, 11(6), 1464. doi:10.3390/nano11061464
    36. Golovynskyi, S., Datsenko, O. I., Dong, D., Lin, Y., Golovynska, I., Jin, Z., Li, B., & Wu, H. (2022). MoS2 monolayer quantum dots on a flake: Efficient sensitization of exciton and trion photoluminescence via resonant nonradiative energy and charge transfers. Applied Surface Science, 601, 154209. doi:10.1016/j.apsusc.2022.154209
    37. Muskens, O. L., Giannini, V., Sánchez-Gil, J. A., & Gómez Rivas, J. (2007). Strong enhancement of the radiative decay rate of emitters by single plasmonic nanoantennas. Nano letters, 7(9), 2871-2875. doi:10.1021/nl0715847
    38. Ziegler, J., Djiango, M., Vidal, C., Hrelescu, C., & Klar, T. A. (2015). Gold nanostars for random lasing enhancement. Optics express, 23(12), 15152-15159. doi:10.1364/OE.23.015152
    39. Li, B., & Lane, L. A. (2019). Probing the biological obstacles of nanomedicine with gold nanoparticles. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology, 11(3), e1542. doi:10.1002/wnan.1542
    40. Lee, K. C., Chen, Y. H., Lin, H. Y., Cheng, C. C., Chen, P. Y., Wu, T. Y., Shih, M. H., Wei, K. H., Li, L., & Chang, C. W. (2015). Plasmonic gold nanorods coverage influence on enhancement of the photoluminescence of two-dimensional MoS2 monolayer. Scientific reports, 5(1), 16374. doi:10.1038/srep16374
    41. Yeshchenko, O. A., Kudrya, V. Y., Tomchuk, A. V., Dmitruk, I. M., Berezovska, N. I., Teselko, P. O., Golovynskyi, S., Xue, B., & Qu, J. (2019). Plasmonic nanocavity metasurface based on laser-structured silver surface and silver nanoprisms for the enhancement of adenosine nucleotide photoluminescence. ACS Applied Nano Materials, 2(11), 7152-7161. doi:10.1021/acsanm.9b01673
    42. Irfan, I., Golovynskyi, S., Bosi, M., Seravalli, L., Yeshchenko, O. A., Xue, B., Dong, D., Lin, Y., Qiu, R., Li, B., & Qu, J. (2021). Enhancement of Raman scattering and exciton/trion photoluminescence of monolayer and few-layer MoS2 by Ag nanoprisms and nanoparticles: shape and size effects. The Journal of Physical Chemistry C, 125(7), 4119-4132. doi:10.1021/acs.jpcc.0c11421
    43. Yaremchuk, I., Pidluzhna, A., Stakhira, P., Kuntyi, O., Sus, L., Savaryn, V., Stakhira, P., Kostruba, A., Fitio, V., & Bobitski, Y. (2021). Surface-localized plasmon resonance in a system of randomly arranged gold nanorods on a dielectric substrate. Ukrainian Journal of Physical Optics, 22(2), 69-82 doi:10.3116/16091833/22/2/69/2021

    Оптоелектроніка зосереджена на світловипромінювальних і світло¬де¬текторних пристроях і дослідженні матеріалів, які використовуються для їх виготовлення. Зазвичай світловипромінювальними пристроями є лампи, світлодіоди, лазерні діоди та лазери із середовищем підсилення, тоді як світлодетекторними пристроями є фотодіоди, фотоелектричні сонячні елементи, фоторезистори, фототранзистори тощо. Вищезазначена сфера також охоплює дослідження випромінювання матеріалів під різним збудженням та взаємодію світла з різними типами матеріалів, переважно напівпровідниками та металевими наноструктурами. Технологічний прогрес у матеріалознавстві спонукав до розробки наноматеріалів та оптоелектронних пристроїв на їх основі. Їх можна розділити на двовимірні (2D) квантові ями, плівки або листи, 1D нанодроти та 0D квантові точки. 2D-графеноподібні шаруваті матеріали, квантові точки та металеві наночастинки для оптоелектронних застосувань є найбільш дослідженими. По суті, глобальна наукова тенденція, пов’язана з наноматеріалами, наразі трансформує наші технології та промисловість і представляє найбільш амбітний курс сучасної та майбутньої оптоелектроніки.

    Ключові слова: наноматеріали, оптоелектроніка, квантовий розмір, випромінювання, фотовольтаїка, сонячна енергія

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©