石墨烯在室溫和普通光照下可產(chǎn)生電流
能廣泛用于太陽能電池和半導(dǎo)體傳感器等領(lǐng)域
發(fā)布時間： 2011-10-12 |
本報訊石墨烯再次給人們帶來驚喜。美國麻省理工學(xué)院及哈佛大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯可以對光產(chǎn)生不同尋常的反應(yīng)，在室溫和普通光照射下，就可以發(fā)生熱載流子效應(yīng)，產(chǎn)生電流。這一發(fā)現(xiàn)不僅為石墨烯再添新奇屬性，更有希望使其在太陽能電池、夜視系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡及半導(dǎo)體傳感器等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用。該研究發(fā)表在近期出版的《科學(xué)》雜志上。
研究人員在實驗室制造了復(fù)雜的石墨烯納米P-N結(jié)，利用850納米的激光照射石墨烯P-N結(jié)介面，并測量激光照射點產(chǎn)生的光電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著激光強(qiáng)度的增加，特別是在低溫的條件下，可取得最大為5 毫安/瓦（mA/W）的光電流，這一數(shù)值比以前的石墨光電器件高6倍。
熱載流子效應(yīng)并不新奇，但通常情況下，需要在接近絕對零度或在極強(qiáng)的激光照射下才會發(fā)生，但石墨烯卻表現(xiàn)出在室溫和普通光下就可以產(chǎn)生熱載流子效應(yīng)的性能，這讓人們對石墨烯未來的應(yīng)用產(chǎn)生了巨大的想像空間。
此前曾發(fā)現(xiàn)過石墨烯在光照下產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，但研究人員錯誤地認(rèn)為是光伏效應(yīng)。而麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照在石墨烯上時，可以產(chǎn)生兩個具有不同電氣特性的區(qū)域，進(jìn)而出現(xiàn)溫差，產(chǎn)生電流。石墨烯在激光照射加熱不一致時，攜帶電流的電子被加熱，而晶格中的碳原子核保持低溫。正是由于石墨烯內(nèi)部的溫差，產(chǎn)生了電流。這種不同尋常的機(jī)制就稱為熱載流子效應(yīng)。（所謂熱載流子就是具有高能量的載流子，即其動能高于平均熱運(yùn)動能量。當(dāng)載流子從外界獲得了很大能量時，便可成為熱載流子。由于熱載流子所造成的一些影響，就稱為熱載流子效應(yīng)。）
研究人員認(rèn)為，石墨烯之所以會產(chǎn)生上述現(xiàn)象，是由于大多數(shù)材料的過熱電子可將能量傳遞到周圍晶格，而石墨烯則需要很高的能量才能振動其晶格的碳原子核，因此只有很少的電子能將熱能轉(zhuǎn)移到晶格。
研究人員表示，該研究成果是光電及能量采集方面十分重要的進(jìn)展。由于這種現(xiàn)象十分新穎，還需要進(jìn)一步深入的研究，才能清楚地了解其重要意義。但可以肯定的是，這種特性將會有非常廣泛的應(yīng)用前景。
首先，它有可能在利用太陽能方面產(chǎn)生重大的突破。典型的光伏材料僅對特定頻率或顏色的光發(fā)生反應(yīng)，而石墨烯對光發(fā)生反應(yīng)的范圍非常寬。研究結(jié)果還表明，石墨烯能十分有效地收集太陽能。因此太陽能電池的最大突破有可能會來自于石墨烯。
其次，由于石墨烯以不同的方式產(chǎn)生電流，因此可以利用石墨烯來制造超高速光子探測器。石墨烯對紅外光的反應(yīng)更有其獨(dú)到之處，有望成為夜視系統(tǒng)及高級天文望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分。
此外，石墨烯也可應(yīng)用于檢測重要的生物分子。毒素、病菌或食品污染物等物質(zhì)在光照射下，會發(fā)出紅外光。此前所使用的半導(dǎo)體傳感器，通常包含一些十分昂貴的稀有元素，而利用石墨烯生產(chǎn)傳感器，成本將會大大降低。
石墨烯的發(fā)現(xiàn)很晚，有關(guān)它的特性人們還不完全清楚，石墨烯還能帶給人們什么樣的驚喜和奇跡，能否掀起一場石墨烯革命，還要拭目以待。(何屹)
(科技日報)
