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【你问我答】石墨烯大讲堂(15)
无论是在私人的朋友圈,还是材料类公众号平台,关于石墨烯的文章无处不在,还大有刷屏之势。不管是技术小白还是研发大咖,要是不知道石墨烯,是不是都不好意思和0朋友、同事聊天呢!

什么,你还不知道石墨烯到底是啥??!!没关系,赶紧关注环球新碳,这里开设了石墨烯大讲堂,为大家从零开始讲述生而不凡的新材料之王----石墨烯。

Duang, Duang, Duang!!! 环球新碳石墨烯大讲堂第15期闪亮登台开讲啦!这期的大讲堂主要和小伙伴们分享“基于石墨烯的半导体光电器件”。

硅基集成电路芯片技术正在逼近摩尔定律的物理极限,于是半导体纳米材料与技术成了纳米科技中研究最为活跃、应用最为广泛的前沿领域。二维纳米材料石墨烯的发现为新型纳米器件的设计与制备注入了新活力。
石墨烯具有高强度、透光性、导电性和导热性等优良特性,科学家预言石墨烯可望替代硅材料成为后摩尔时代电子器件发展的重要角色。将石墨烯与其它半导体纳米材料复合,可以制备出具有新功能的半导体光电器件。

1 石墨烯基发光二极管
发光二极管是半导体器件中的重要成员,它们在照明、显示、通信等领域发挥着重要作用。目前,GaN在这一领域占据着主导地位。然而,GaN材料的生长通常需要在与之晶格匹配的蓝宝石衬底上在高温下生长,而进一步发展柔性器件尚需通过复杂的工艺将GaN从外延衬底上剥离。这些不足大大限制了GaN器件的发展。而石墨烯这种可从层状结构中简单剥离的材料则为解决这一问题提供了很大的方便。研究人员在多层石墨烯上密排的ZnO纳米棒为过渡层生长了高质量的GaN外延薄膜,制备获得了发光二极管,并进一步实现了将这些功能器件向玻璃、金属、塑料等不同衬底的转移,如图1所示。这种器件既利用了GaN半导体的发光特性,同时利用了石墨烯的电学与机械特性,为后续电子学与光电学器件的集成设计提供了灵活的思路。

基于石墨烯透明、导电的特性,研究人员将石墨烯应用于有机电致发光器件,制备了以石墨烯为阳极的多层结构的发光二极管,获得了较高的发光效应。这一研究结果表明,石墨烯可作为良好的有机发光的阳极材料,器件的性能可望通过优化石墨烯的导电性、透光性等进一步提高。


2 石墨烯基太阳能电池
石墨烯在能量转换方面的应用是目前石墨烯研究中最活跃的方向之一。基于石墨烯与无机半导体、纳米线、有机小分子染料与聚合物等复合材料,在不同的器件结构中均展现了较好的光电转换特性。
石墨烯作为一个二维结构的薄膜电极具有不少优点:导电特性与光学特性可通过层数变化、掺杂等进行调控,非常平整的表面有利于功能层的组装。研究人员以石墨烯作阳极,在n型硅上制备了肖特基结太阳能电池。


3 石墨烯基纳米发电机
有研究人员基于纳米材料ZnO 的压电效应实现了纳米发电机,且它的性能不断得 到 提 高。人们可望借助于许多自然的运动(如微风吹拂、身体摆动)等实现对若干功能器件驱动。对于这样的应用需求,软性器件的设计与制备成了人们关注的热点,而石墨烯的光电及机械特性则可很好地满足这些要求。研究人员采用化学气相沉积(CVD)技术制备了大面积的石墨烯,并通过掺杂等方法实现了电学特性(如功函数、电阻率等)的调控。在此基 础上进一步将石墨烯用于纳米发电机的制备,基本过程如图4所示。
首先在镀Ni的硅片衬底上采用 化学气相沉积技 术 生 长 大 面 积 的 石 墨烯,再将其剥离并转移到软性的聚合物衬底上,形成一个电极,然后在石墨烯电极上用水热法生长定向排列的ZnO 阵列,再覆盖一层石墨烯形成另一电极。这就构成了一个可完全卷曲的纳米发电机的原型器件。

图5给出了这个纳米发电机输出电流的极性,并比较了卷曲前后的电流输出情况,可以看出这种软性的纳米发电机在卷曲后仍具有很好的电流输出。


石墨烯具有透明、软性、能带结构连续可调和电子迁移率高等一系列重要的光电特性,在下一代纳米光电子器件领域中具有重要的应用前景。 随着研究和技术的不断推进,以石墨烯为基础的光电器件的功能必将得到进一步提升。

通过第15期的石墨烯大讲堂,小伙伴们是否已经get到了基于石墨烯的半导体光电器件的相关知识了呢?如果你有任何关于石墨烯的问题,都可以给我们留言哦,小编将在接下来的大讲堂里帮大家解疑答惑。
什么,这期没看够??!!别着急,石墨烯大讲堂未完待续,下期更精彩。敬请小伙伴关注,不要错过哦。

参考文献
K. Chung, et al., Transferable GaN layers grown on ZnO-coated graphene layers for optoelectronic devices. Science, 2010, 330(6004): 655-657
T. Sun, et al., Multilayered graphene used as anode of organic light emitting devices. Appl. Phys. Lett., 2010, 96(13): 133301(1-3)
D. Choi, et al., Fully rollable transparent nanogenerators based on graphene electrodes. Adv. Mater., 2010, 22(19): 2187-219
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