科学家成功在普通玻璃表面直接生长石墨烯

2016-03-09 10:06:00
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        美国纽约州布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory;BNL)的科学家们发现一种更有效的掺杂机制,有助于在普通玻璃上直接生长石墨烯薄层。

        石墨烯是一种具有高迁移率的碳原子单层,科学家们已经针对微电子与光电组件开发出一种可扩展且低成本的工艺。石墨烯具有高导电性与透明度,使其成为透明导电电极的理想替代方案,可在太阳能电池、有机发光二极管(OLED)、平面显示器与触控屏幕等应用中,取代较脆弱且昂贵的铟锡氧化物(ITO)。

科学家们在钠钙玻璃(Soda Lime Glass)——玻璃瓶与窗户最常使用的玻璃——基板上打造石墨烯组件,并发现存在玻璃中的钠可作为石墨烯的掺杂剂。甚至是在暴露于空气中经过几星期后,存在于组件中的这种效应仍然极其强劲。

如上的扫瞄式电子显微镜图所示,白色比例尺测得该组件为10um;而以CIGS/石墨烯接口的穿透式电子显微镜图来看,白色比例尺测得100nm

Source:Brookhaven National Laboratory


“钠钙玻璃内部存在的钠为石墨烯带来了高迁移率,这在许多工艺中至关重要,在实现过程中也存在挑战性,”Voxtel, Inc.资深科学家Nanditha Dissanayake表示。Nanditha Dissanayake先前曾任职于布鲁克海文国家实验室(Brookhaven Lab)。

该研究队最初是从优化太阳能电池着手,先在铜铟镓硒(CIGS)半导体上堆栈太阳能电池中所包含的石墨烯薄膜,然后再堆栈于产业级的钠钙玻璃玻璃基板上。 科学家们接着为新系统进行初步测试,从而为后续的掺杂效应测试提供基准。但这些测试暴露出一些不可思议之处:无需加入额外的化学物质,石墨烯已经实现最佳化掺杂了。

        在该研究中所使用的石墨烯场效晶体管机制示意图。该组件由太阳能电池(包括堆栈于高性能CIGS半导体顶部的石墨烯)组成,再堆栈于钠钙玻璃、SLG或BSG等材料的基板上

        Source:Brookhaven National Laboratory

        根据研究结果发现,钠原子掺杂石墨烯并可形成制造晶体管组件的重要组成部份——这些晶体管具有不同的电洞密度,从而导致晶体管活动。为了确实找到有利的机制,研究人员以钠作为掺杂剂,致力于探索该系统及其于不同情况下的性能,包括在各种基板上(无论是否采用钠)制造组件与测量掺杂强度。

        除了美国能源部(DoE)旗下布鲁克海文国家实验室,这项研究并获得了石溪大学(Stony Brook University;SBU)以及纽约州立大学理工学院(SUNY Polytechnic Institute)的纳米科学与工程学院等单位的共同合作。

        科学家们目前还需要更深入地探索掺杂机制的基础,以及更详细地研究材料在暴露于现实运作条件期间的韧性。然而,根据最初的研究结果显示,采用玻璃石墨烯的途径比其他许多掺杂机制更能有效防止退化。

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updated: 2020-09-26 16:35:38