石墨烯PN結(jié)的調(diào)制摻雜生長(zhǎng)與光電轉(zhuǎn)換器件研究取得進(jìn)展

石墨烯因獨(dú)特的二維層狀原子晶體結(jié)構(gòu)和狄拉克錐形電子能帶結(jié)構(gòu)而具有新奇的電學(xué)、光學(xué)和光電子學(xué)性質(zhì)。PN結(jié)則是雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的核心結(jié)構(gòu)，更是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。石墨烯中的PN結(jié)將具有電子負(fù)折射率效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，此外，其特有的“光熱電”效應(yīng)還可實(shí)現(xiàn)基于“熱載流子”原理的高效光電能量轉(zhuǎn)換。高質(zhì)量石墨烯PN結(jié)光電器件以其特殊的工作機(jī)制，有可能打破傳統(tǒng)光電技術(shù)中的諸多限制條件，為光電器件帶來(lái)更大響應(yīng)帶寬、更快轉(zhuǎn)換速度及更低檢測(cè)閾值，促進(jìn)新一代光電子技術(shù)的發(fā)展，在太陽(yáng)能電池、夜視系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡及半導(dǎo)體傳感器等領(lǐng)域均有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須在保證石墨烯質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)高可控性和均一性的穩(wěn)定摻雜，這對(duì)石墨烯的可控制備提出了極大的挑戰(zhàn)。

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范-彭海琳課題組根據(jù)材料生長(zhǎng)中調(diào)制摻雜的原理，提出了具有高遷移率、摻雜區(qū)域可控的石墨烯(亦即“馬賽克”石墨烯)的調(diào)制摻雜生長(zhǎng)方法，成功攻克了這一難題，實(shí)現(xiàn)了“馬賽克”石墨烯這種世上最薄的PN結(jié)材料的規(guī)模制備。研究表明，調(diào)制摻雜生長(zhǎng)的石墨烯PN結(jié)具有很高的載流子遷移率。在此基礎(chǔ)上，該課題組又成功研制了基于“光熱電”機(jī)制的高性能光電轉(zhuǎn)換器件，為石墨烯光電轉(zhuǎn)換的規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該工作是石墨烯的化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要突破，對(duì)基于石墨烯的新型光電器件、以及燃料電池、超級(jí)電容器和鋰離子電池的新型碳基電極材料的研制也有積極意義。部分工作已發(fā)表在《自然》子刊《自然—通訊》，并已申請(qǐng)了發(fā)明專利。