石墨烯熱電子火熱登場

美國科學家發現當石墨烯(graphene)照光時,不像傳統半導體般產生電子電洞對,而是產生能形成光電流的熱載子(hot carrier)。這項發現不只讓石墨烯的應用潛力再上層樓,而且將有助於研發新型超快高效率光子探測器以及太陽能電池等儲能元件。

單原子厚的石墨烯具有許多獨特的電子、機械與光學性質,自2004年首次現身後,已經被用來製作出電晶體及其他原型元件。最近,Pablo Jarillo-Herrero及他在麻省理工學院(MIT)與哈佛大學的研究伙伴以石墨烯製作出光學元件,讓這種「神奇材料」的應用版圖再下一城。

一般半導體受光激發後會產生電子電洞對,這些電荷載子隨後受內建電位差驅動而形成光電流,此即現今光電元件的應用原理。在此之前,大部分科學家認為石墨烯對入射光的反應並無特別之處,只有一些學者懷疑此材料中可能存在熱電效應(thermoelectric process)。

MIT-哈佛團隊的研究首次證實了熱電效應為石墨烯產生光電流的主要機制。Jarillo-Herrero表示,熱載子通常只出現在極低溫或非線性的過程中。然而,藉由雷射激發石墨烯,熱載子從低溫到室溫都能存在,而且是在線性範圍內。

該團隊在自製的石墨烯PN接面奈米元件上進行一連串光電實驗,以波長850 nm的雷射照射石墨烯PN接面,並測量空間解析激發光譜(spatially resolved optical-excitation microscopy)及電子傳輸特性,結果發現在PN接面處會產生隨雷射功率增加的大電流,其最大值為低溫下測得的5 mA/W,是先前石墨烯光電元件的六倍。

該團隊認為如此大的電流值是光熱電效應(photothermoelectric electric)的結果─雷射光會使石墨烯內的電子會獲得熱能而產生電流 ,且由於這些熱電子與碳晶格的耦合相當微弱,熱能無法透過碳原子散逸,因此晶格不會被加熱。

Jarillo-Herrero表示,要利用石墨烯製作新型超快高效率光子探測器及儲能元件,必需先釐清許多問題,包括光激發載子的效率能多高、是否能透過優化元件尺寸得到最大的電流,以及石墨烯層數的影響等。詳見Sciencexpress doi: 10.1126/science.1211384。

原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/47408

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝


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