馬賽克石墨烯PN結的調制摻雜生長與光熱電轉換器件

Modulation-doped growth of mosaic graphene with single-crystalline p–n junctions for efficient photocurrent generation

Nature Communications 2012, 3, 1280; J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10926; Small 2014, 10, 2245; Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 086102.

石墨烯因獨特的二維層狀原子晶體結構和狄拉克錐形電子能帶結構而具有新奇的電學、光學和光電子學性質。石墨烯PN結中獨特的“光熱電”效應可實現基于“熱載流子”原理的高效光電能量轉換，具有潛在的應用價值。然而，為了制備高品質石墨烯PN結，必須在保證石墨烯質量的前提下實現高可控性和均一性的穩定摻雜，這就對石墨烯的可控制備提出了極大的挑戰。我們根據材料生長中調制摻雜的原理，提出了具有高遷移率、摻雜區域可控的石墨烯（亦即“馬賽克”石墨烯）的調制摻雜生長方法，成功攻克了這一難題，實現了“馬賽克”石墨烯這種世上最薄的PN結材料的規模制備（Nature Communications 2012, 3, 1280; Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 086102）；研究表明，調制摻雜生長的石墨烯PN結具有很高的載流子遷移率，并可研制基于“光熱電”機制的高性能光電轉換器件。最近，我們在石墨烯PN結光電器件中引入了金屬納米結構，并首次觀察到石墨烯PN結的光熱電效應在金屬納米粒子得等離激元共振的條件下得到了增強，其增強因子目前高達3~4倍（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10926）。此外，我們研究了非對稱摻雜雙層石墨烯PN結的制備及其光電性能，實現了更高效率的光熱電轉換（Small 2014, 10, 2245）。該系列工作是在石墨烯的化學氣相沉積生長領域的一項重要突破，對基于石墨烯的新型光電器件、以及燃料電池、超級電容器和锂離子電池的新型碳基電極材料的研制也有積極意義。

作者：

彭海琳，教授

劉忠範，教授， 中國科學院院士