石墨烯的研究

1、石墨烯的研究v美國兩組科學(xué)家用圓柱狀的碳納米管制造出幾十納米寬的石墨烯帶。v石墨烯導(dǎo)電性好，纖薄，透明，堅硬，非常適用于顯示屏和太陽能電池板。v帶狀石墨烯的用處更大，在10納米左右的寬度上，電子被迫縱向移動，使石墨烯可以像半導(dǎo)體一樣起作用。v從半導(dǎo)體工業(yè)借鑒過來的刻蝕技術(shù)切開納米管，再將納米管粘附到一個聚合物薄膜上，接著使用經(jīng)過電離的氬氣來刻蝕每個納米管的每個條帶，得到的石墨烯帶的寬度僅為10-20nm，具有導(dǎo)電性能，因此在電子工業(yè)將有廣泛的應(yīng)用，他們用石墨烯已經(jīng)制造出了基本的晶體管。v詹姆斯.賽研究小組用高猛算計和硫酸的混合物，沿著軸心打開納米管，他們得到的絲帶要寬一些，大約100-500n

2、m。v他們雖然不是半導(dǎo)體，單能用來制造太陽能電池板，可彎曲的觸摸顯示屏，情報的，導(dǎo)電的纖維，取代飛機(jī)和宇宙飛船上使用的笨重銅線v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(yùn)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)。) v石墨烯有可能在利用太陽能方面產(chǎn)生重大

3、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 石墨烯制備新型高效太陽能電池v電子轉(zhuǎn)移途徑在剝離的石墨烯/鋅酞菁類混合體中的情形 v極高的電子遷移率使石墨烯具有理想的條件，電子穿過石墨烯時，大約有100倍的遷移率，這是對比硅而言，石墨烯還具有卓越的強(qiáng)度，而且事實(shí)上，它幾乎是透明的（2.3的光可被吸收；97.7的光可被傳輸），這些都使它成為理想的候選材料，可用于光伏領(lǐng)域，超薄透明石墨烯膜就可替代金屬氧化物電極。v因此，它可能是一種很前途的替代材料，可替代銦錫氧化物（

4、ITO：indium tin oxide），銦錫氧化物是目前標(biāo)準(zhǔn)的透明電極材料，石墨烯用作電極，可用于液晶顯示器，太陽能電池，iPad和智能手機(jī)使用的觸摸屏，以及有機(jī)發(fā)光二極管（ OLED）顯示器，這種顯示器用于電視和計算機(jī)。 v最近的研究表明，摻雜是必要的，為的是利用石墨烯的全部潛力。這一挑戰(zhàn)對于研究人員而言，就是要找到適當(dāng)?shù)闹圃旒夹g(shù)，制備高質(zhì)量石墨烯片，使它具有高度的電荷遷移率（charge mobilities）。 v德國和西班牙的一個研究小組最近發(fā)表了一篇論文，發(fā)表在應(yīng)用化學(xué)國際版（Angewandte Chemie International Edition），題為實(shí)現(xiàn)可調(diào)石墨烯/酞

5、菁- PPV混合動力系統(tǒng)（Towards Tunable Graphene/PhthalocyaninePPV Hybrid Systems），他們提出了一種化學(xué)方法，制成非共價（non-covalently）功能性石墨烯，這種材料產(chǎn)生于可大量獲得的低價天然石墨。 v石墨烯被寄予厚望的應(yīng)用實(shí)例之一是轉(zhuǎn)換效石墨烯被寄予厚望的應(yīng)用實(shí)例之一是轉(zhuǎn)換效率非常高的新一代太陽能電池。展望其今后率非常高的新一代太陽能電池。展望其今后的應(yīng)用領(lǐng)域，首先是透明導(dǎo)電膜領(lǐng)域，其次的應(yīng)用領(lǐng)域，首先是透明導(dǎo)電膜領(lǐng)域，其次是中間電極等領(lǐng)域是中間電極等領(lǐng)域 v在一般情況下要確保大范圍波長領(lǐng)域的透明性，載流子的密度越低越好。不過

6、，由于導(dǎo)電率與載流子遷移率和載流子密度的乘積成比例，因此如果載流子遷移率不是很高，那么較小的載流子密度也就意味著導(dǎo)電率較小。其典型示例就是玻璃這種絕緣體。無論多透明，只要電流不能通過，就沒有任何意義。v石墨烯幾乎是唯一一種能夠避免這種問題的材料。其原因在于石墨烯具有非常高的載流子遷移率。因此，即使載流子密度非常小，也能確保一定的導(dǎo)電率。這種材料是非常罕見的。 一、太陽能電池材料的原理v一種材料（或多種材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)）能成為太陽能電池的材料的重要條件： 材料中有能到彎曲的P-N結(jié)或高低結(jié)，形成材料中的內(nèi)建電場。光在材料中激發(fā)的電子-空穴對就可以在內(nèi)建電場的作用下向相反方向電極運(yùn)動，從而形成光伏效

7、應(yīng)。二、石墨烯與太陽能利用有關(guān)性質(zhì)研究進(jìn)展回顧v1、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(fèi)米面在迪拉克點(diǎn)之上，石墨烯為n型，費(fèi)米面在狄拉克點(diǎn)以下為p型。由于其能帶結(jié)構(gòu)的特殊性，在狄拉克點(diǎn)處的電子態(tài)密度很低，對于費(fèi)米面在狄拉克點(diǎn)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(fèi)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。v2、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

8、池上層電極對太陽光中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。 v3、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（透光性很好），也能保證

9、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。 v4、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，室溫下川島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?；谑┑墓夥骷獾捻憫?yīng)目前在實(shí)驗(yàn)室中已達(dá)到THz，成為超快光電探測器的候選材料v5、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第二年。正是由于石墨烯的光電反應(yīng)現(xiàn)象更為豐富。三、對石墨烯在太陽能上應(yīng)用前景的分析與研究方向設(shè)想v兩個應(yīng)用方