石墨烯性質(zhì)-表面等離子體

1、1 石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)所帶來的性質(zhì)石墨烯是零帶系半導(dǎo)體，其能帶結(jié)構(gòu)在 K 空間成對頂?shù)碾p錐形，費米面在迪 拉克點之上， 石墨烯為 n 型，費米面在狄拉克點以下為 p 型。由于其能帶結(jié)構(gòu)的 特殊性，在狄拉克點處的電子態(tài)密度很低， 對于費米面在狄拉克點附近的高質(zhì)量 石墨烯，通過簡單的摻雜或用柵壓調(diào)控，就可以使其費米面有很大幅度的移動， 從而很容易用人工的方法制作出石墨烯的 p-n 結(jié)結(jié)構(gòu)。而該結(jié)構(gòu)是太陽能電池材 料所必需的條件。2、石墨烯對紅外光的高透過性石墨烯對光的透過率可達(dá)到 97.7%以上，使其成為太陽能電池電極材料的很 好選擇?，F(xiàn)在太陽能電池的透過效率不好原因是太陽能電池上層電極對太陽光中

2、 的紅外部分吸收十分嚴(yán)重， 而紅外部分又是太陽光能量的一個集中區(qū)， 所以影響 了下方的光伏材料獲得的光的強(qiáng)度。 而石墨烯對紅外的透過性非常好， 用石墨烯 帶作為太陽能電極材料，可大幅度提高轉(zhuǎn)化效率。3、石墨烯中的高載流子遷移率石墨烯中的電子的遷移率大約是硅的 100 倍，而電導(dǎo)率是與遷移率和載流子 濃度乘積成正比， 而材料的透光性能又通常和載流子濃度成反比。 一般材料如果 對光的透過性很好，那么它的載流子濃度就很低，而通常遷移率也很低， 從而導(dǎo) 電率也很差， 這也是目前為什么太陽能透明電極沒有很好性能的原因。 而石墨烯 這種新材料，它的載流子遷移率如此之高，即使在載流子濃度很低時 （透光性很

3、好），也能保證兩者乘積很客觀，有很好的導(dǎo)電性。這也進(jìn)一步解釋了石墨烯適 合用于太陽能電池電極的原因。4、石墨烯中的光激發(fā)電子 -空穴對的產(chǎn)生消失時間 石墨中的電子式狄拉克電子， 速度接近光速三分之一， 室溫下傳導(dǎo)電子比任 何其他已知導(dǎo)體要快，所以被光激發(fā)出的電子 -空穴對可以快速形成電流，同理 在撤去光源后也可以迅速消失。 基于石墨烯的光伏器件對光的響應(yīng)目前在實驗室 中已達(dá)到THz成為超快光電探測器的候選材料5、石墨烯的熱載流子效應(yīng) 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。 當(dāng)光照在石墨烯上時， 可以產(chǎn)生兩個具有不同電氣特 性區(qū)域，進(jìn)而出現(xiàn)溫

4、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。 正是由于石墨烯的光電反應(yīng)現(xiàn)象 更為豐富。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)

5、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

6、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

7、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

8、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。1. 光捕獲作用：對存在于均勻無耗的介質(zhì)中的金屬納米顆粒，當(dāng)光入射到顆 粒上時從顆粒散射的前向波和后向波幾乎是對稱的。但是當(dāng)納米顆粒被放 在兩種不同介電材料的分界面時，入射的光將更多的被散射到介電常數(shù)比 較大的材料里。散射光在介質(zhì)材料里將有一定的立體角分布并增加光在 介質(zhì)中的傳播路徑，如圖所示，這樣使更多的光被限制在光伏器 件中。此外，如果光伏器件有可以反射光的金屬背電極，從電極反射回來 的光將再次與金屬納米顆粒相互作用并被延遲，這樣反復(fù)的作用使得入射 的光將會在半導(dǎo)體層中經(jīng)過多次的光程，從而提升光的吸收。2. 光匯聚作用：金屬納米顆粒被復(fù)合到光伏電池異質(zhì)結(jié)后，金屬納米顆粒的 局域表面等離激元可以極大的提升顆粒周圍的局域電磁場，從而有效地提 高顆粒周圍半導(dǎo)體材料的光吸收能力，如圖所示。金屬納米顆粒 可以近似為入射光的匯聚天線，它們將入射的光場能量儲存在局域表面等 離激元模式中，從而提高光伏電池吸收光的效率。3. 表面等離激元極化傳導(dǎo)模式增強(qiáng)作用：在這種結(jié)構(gòu)中，