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(lái)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(duì)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(duì)于費(fèi)米面在狄拉克點(diǎn)附近的高質(zhì)量 石墨烯，通過(guò)簡(jiǎn)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(dòng)， 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(yáng)能電池材 料所必需的條件。2、石墨烯對(duì)紅外光的高透過(guò)性石墨烯對(duì)光的透過(guò)率可達(dá)到 97.7%以上，使其成為太陽(yáng)能電池電極材料的很 好選擇?，F(xiàn)在太陽(yáng)能電池的透過(guò)效率不好原因是太陽(yáng)能電池上層電極對(duì)太陽(yáng)光中

2、 的紅外部分吸收十分嚴(yán)重， 而紅外部分又是太陽(yáng)光能量的一個(gè)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(duì)紅外的透過(guò)性非常好， 用石墨烯 帶作為太陽(yáng)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(duì)光的透過(guò)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(yáng)能透明電極沒(méi)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(shí) （透光性很

3、好），也能保證兩者乘積很客觀(guān)，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(yáng)能電池電極的原因。4、石墨烯中的光激發(fā)電子 -空穴對(duì)的產(chǎn)生消失時(shí)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(duì)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(duì)光的響應(yīng)目前在實(shí)驗(yàn)室 中已達(dá)到THz成為超快光電探測(cè)器的候選材料5、石墨烯的熱載流子效應(yīng) 石墨烯可以對(duì)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(shí)， 可以產(chǎn)生兩個(gè)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(shí)，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(lái)驚喜。 美國(guó)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(duì)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(yáng)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(shí)驗(yàn)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(cè)量激光照射點(diǎn)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(duì)零度或在極強(qiáng)的激光照 射下才會(huì)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(duì)石墨烯未來(lái)的應(yīng)用產(chǎn)生了巨大的想像空間。此前曾發(fā)現(xiàn)過(guò)石墨烯在光照下產(chǎn)生電流的現(xiàn)象， 但研究人員錯(cuò)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(shí)， 可以產(chǎn)生兩個(gè)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(shí)，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(chēng)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(dòng)能高于平均熱運(yùn)動(dòng)能量。 當(dāng)載流子從外界 獲得了很大能量時(shí)，便可成為熱載流子。 由于熱載流子所造成的一些影響， 就稱(chēng) 為熱載流子效應(yīng)。 ）研究人員認(rèn)為， 石墨烯之所以會(huì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象， 是由于大多數(shù)材料的過(guò)熱電子可 將能量傳遞到周?chē)Ц瘢?而石墨烯則需要很高的能量才能振動(dòng)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(huì)有非常廣泛的應(yīng)用前景。 首先，它有可能在利用太陽(yáng)能方 面產(chǎn)生重大的突破。 典型的光伏材料僅對(duì)特定頻率或顏色的光發(fā)生反應(yīng)， 而石墨 烯對(duì)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(yáng) 能。因此太陽(yáng)能電池的最大突破有可能會(huì)來(lái)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(lái)制造超高速光 子探測(cè)器。 石墨烯對(duì)紅外光的反應(yīng)更有其獨(dú)到之處， 有望成為夜視系統(tǒng)及高級(jí)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(cè)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(huì)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(huì)大大降低。1. 光捕獲作用：對(duì)存在于均勻無(wú)耗的介質(zhì)中的金屬納米顆粒，當(dāng)光入射到顆 粒上時(shí)從顆粒散射的前向波和后向波幾乎是對(duì)稱(chēng)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(shí)，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(lái) 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(huì)在半導(dǎo)體層中經(jīng)過(guò)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?chē)木钟螂姶艌?chǎng)，從而有效地提 高顆粒周?chē)雽?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(xiàn)，它們將入射的光場(chǎng)能量?jī)?chǔ)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，