综述：异质结纳米杂化器件中的量子物理

本综述系统探讨了基于石墨烯与半导体量子点（QDs）、纳米棒、纳米管等结构的异质结纳米杂化器件（nano/graphene heterojunction nanohybrids），重点阐释其量子限域效应带来的高载流子迁移率和光谱可调性，以及在光电探测、化学/生物分子/气体传感、机械形变检测等领域的应用潜力，为高性能量子传感器设计提供理论依据。

　　

Abstract

异质结纳米杂化器件基于石墨烯与其他纳米结构（如半导体量子点（QDs）、纳米棒、纳米管、纳米盘和纳米粒子）的组合，近年来已成为量子器件设计的前沿平台。这类器件在光电探测、化学/生物分子/气体传感、机械形变检测等领域展现出广泛应用前景。其核心优势在于利用石墨烯的量子限域效应实现卓越的电荷迁移率，同时借助纳米结构的独特光谱可调性、高比表面积和压电特性，从而显著提升器件性能，超越传统技术极限。

量子物理机制与器件设计

纳米/石墨烯异质结的量子行为主要源于界面电荷转移、能带对齐和量子限域效应。石墨烯的高载流子迁移率（>10⁵ cm²/V·s）与纳米结构的尺寸依赖性能隙（如CdSe QDs的带隙可调范围1.7–2.1 eV）相结合，实现了光电响应范围的精确调控。此外，纳米结构的表面效应增强了吸附敏感分子的能力，而石墨烯的狄拉克锥能带结构提供了对外界刺激的高灵敏度响应。

应用领域与性能优势

在光电探测领域，纳米杂化器件实现了从紫外到红外的宽谱响应，其外量子效率（EQE）可达10³%级别。化学/生物传感应用中，基于抗原-抗体或DNA杂交的检测限低至fM浓度。气体传感器对NO₂、NH₃等分子的检测灵敏度达到ppb级。压电纳米结构（如ZnO纳米棒）与石墨烯的结合还可用于实时监测机械形变，应变灵敏度系数超过200。

性能限制与未来展望

当前纳米杂化器件的性能受限于界面缺陷、电荷复合噪声和规模化制备的一致性。未来研究需聚焦于界面工程、异质结能带精确调控，以及开发新型二维材料（如过渡金属硫化物）杂化体系。结合人工智能算法优化器件设计，有望推动量子传感器在精准医疗、环境监测和柔性电子领域的实用化进程。

Conflict of Interest

The authors declare no conflict of interest.