马赛克石墨烯PN结的调制掺杂生长与光热电转换器件

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.

石墨烯因独特的二维层状原子晶体结构和狄拉克锥形电子能带结构而具有新奇的电学、光学和光电子学性质。石墨烯PN结中独特的“光热电”效应可实现基于“热载流子”原理的高效光电能量转换，具有潜在的应用价值。然而，为了制备高品质石墨烯PN结，必须在保证石墨烯质量的前提下实现高可控性和均一性的稳定掺杂，这就对石墨烯的可控制备提出了极大的挑战。我们根据材料生长中调制掺杂的原理，提出了具有高迁移率、掺杂区域可控的石墨烯（亦即“马赛克”石墨烯）的调制掺杂生长方法，成功攻克了这一难题，实现了“马赛克”石墨烯这种世上最薄的PN结材料的规模制备（Nature Communications 2012, 3, 1280; Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 086102）；研究表明，调制掺杂生长的石墨烯PN结具有很高的载流子迁移率，并可研制基于“光热电”机制的高性能光电转换器件。最近，我们在石墨烯PN结光电器件中引入了金属纳米结构，并首次观察到石墨烯PN结的光热电效应在金属纳米粒子得等离激元共振的条件下得到了增强，其增强因子目前高达3~4倍（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10926）。此外，我们研究了非对称掺杂双层石墨烯PN结的制备及其光电性能，实现了更高效率的光热电转换（Small 2014, 10, 2245）。该系列工作是在石墨烯的化学气相沉积生长领域的一项重要突破，对基于石墨烯的新型光电器件、以及燃料电池、超级电容器和锂离子电池的新型碳基电极材料的研制也有积极意义。

作者：

彭海琳，教授

刘忠范，教授， 中国科学院院士