石墨烯在室溫和普通光照下可產生電流
能廣泛用于太陽能電池和半導體傳感器等領域
發布時間： 2011-10-12 |
本報訊石墨烯再次給人們帶來驚喜。美國麻省理工學院及哈佛大學的研究人員發現，石墨烯可以對光產生不同尋常的反應，在室溫和普通光照射下，就可以發生熱載流子效應，產生電流。這一發現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、天文望遠鏡及半導體傳感器等應用領域發揮作用。該研究發表在近期出版的《科學》雜志上。
研究人員在實驗室制造了復雜的石墨烯納米P-N結，利用850納米的激光照射石墨烯P-N結介面，并測量激光照射點產生的光電流。結果發現，隨著激光強度的增加，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，這一數值比以前的石墨光電器件高6倍。
熱載流子效應并不新奇，但通常情況下，需要在接近絕對零度或在極強的激光照射下才會發生，但石墨烯卻表現出在室溫和普通光下就可以產生熱載流子效應的性能，這讓人們對石墨烯未來的應用產生了巨大的想像空間。
此前曾發現過石墨烯在光照下產生電流的現象，但研究人員錯誤地認為是光伏效應。而麻省理工學院的研究人員發現，當光照在石墨烯上時，可以產生兩個具有不同電氣特性的區域，進而出現溫差，產生電流。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。正是由于石墨烯內部的溫差，產生了電流。這種不同尋常的機制就稱為熱載流子效應。（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動能量。當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。）
研究人員認為，石墨烯之所以會產生上述現象，是由于大多數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展。由于這種現象十分新穎，還需要進一步深入的研究，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用前景。
首先，它有可能在利用太陽能方面產生重大的突破。典型的光伏材料僅對特定頻率或顏色的光發生反應，而石墨烯對光發生反應的范圍非常寬。研究結果還表明，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更有其獨到之處，有望成為夜視系統及高級天文望遠鏡的重要組成部分。
此外，石墨烯也可應用于檢測重要的生物分子。毒素、病菌或食品污染物等物質在光照射下，會發出紅外光。此前所使用的半導體傳感器，通常包含一些十分昂貴的稀有元素，而利用石墨烯生產傳感器，成本將會大大降低。
石墨烯的發現很晚，有關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)
