石墨烯电子性能的优化

译自：2016 年 2 月【美国】美国科学促进会 EurekAlert!
编译：工业和信息化部国际经济技术合作中心 徐媛

     石墨烯作为一种二维的超强储能材料，具有极高的耐久性、导电性和透明度（一个碳原子层的厚度）。尽管它被誉为是一种突破性的“神奇材料”，但在实现商业化与工业化生产的道路上行进地仍然很缓慢。

     日前，为生产出弹性的、用户化的高性能石墨烯，科学家研究出一种简单且有效的办法：将其放在普通玻璃上进行分层。这种便宜的规模化生产过程为微电子与光电子设备的全新发展铺平了道路——从高效的太阳能电池到触摸屏的一切事物。

     该项合作由美国能源部 Brookhaven 国家实验室、 纽约石溪大学和纽约州立大学理工学院共同发起，他们的实验结果刊登在 2016 年 2 月 12 日的期刊《科学报告》上。

     来自 Brookhaven 国家实验室的物理学家 Matthew Eisaman 说：“我们相信这项工作可以大大推动真正具有生产规模性石墨烯技术的发展。”

     科学家们在钠钙玻璃制成的基底板上建立了概念验证的石墨烯装置，这种最普通的玻璃常用于窗户、瓶子及其它多种产品的生产。让人意想不到的是，玻璃中的钠原子对石墨烯的电子特性发挥了强有力的影响。

     “钠钙玻璃中的钠原子使石墨烯内部产生了高电子密度，这对于许多过程非常重要，也是一直以来通过各种挑战实现的成果，”研究人员 NandithaDissanayake 说。“实际上我们是在通过研究更复杂的事物中发现了这种高效、可靠的办法，这种惊喜也是科学美的一部分。”

     至关重要的一点是，即使这些装置在空气中暴露几个星期，这种影响仍保持强劲。对于有竞争性的技术来说，这是一项明显的改善。

     石墨烯在这种称作“掺杂”的过程中发生微调，使其电子特性在使用中得到优化。这种调整可以是电子数目的增加，也可以是材料中电子空穴数目的增加，以在不同应用中达到最佳平衡。对于实际应用成功的设备，转移到石墨烯的局部电子数目不会随着时间的推移而降低。

     Eisaman 说：“石墨烯掺杂过程通常是外源性化学物质的引进，这样不仅增加了过程的复杂性，也使材料更易发生退化。幸运的是，我们发现了可以克服这些障碍的捷径。”团队最初提出优化石墨烯太阳能电池的设想，是将其堆垛于一块高性能铜铟镓硒(CIGS)半导体上， 现在反而将基底板替换成了常见的钠钙玻璃。科学家们随后对这一全新系统进了初步测试，对后续掺杂产生的影响测试提供了基准线。这些测试暴露了一些奇怪的事情：在没有任何化学物质添加的情况下，石墨烯的这种掺杂过程已经是最优方法。

     Dissanayake 说：“让我们惊喜的是，石墨烯与 CIGS 层形成了很好的太阳能电池结！经过一系列研究，特别是后来将石墨烯分离在玻璃上，我们发现基底板中的钠原子可以在多层石墨烯内自动产生高电子密度。”

     “研发和表征这些装置需要复杂的纳米制造过程，并能够将只有一个原子层厚度的石墨烯精细地转移到粗糙的基底板上，同时还需要详细的结构与光电特性，”Dissanayake 说。“幸运的是，我们同时拥有专项技术和最先进的仪器去面对这些挑战，同时还收到了大量的资助。”

     Eisaman 说：“目前我们展示了基本概念，下一步将着重研究对掺杂强度和空间布局的微调控制。”科学家们现在需要更深入地了解掺杂机制以及暴露在实际操作条件下材料的应变性能。初步结果显示，钠钙玻璃法比其它多种掺杂技术具有更强的抗退化能力。

     “石墨烯这种潜在应用可以触碰倒日常生活的许多方面，从电子消费品到各项能源技术，”Eisaman 说。比如，石墨烯的高导电性和透明性使其大有希望作为一种透明电极， 以替代相对脆弱且昂贵的铟锡氧化物(ITO)， 主要应用于太阳能、OLED 显示屏及触摸屏。为实现该想法，必须研发一种具有生产规模且低成本的方法，通过控制掺杂强度，进而控制石墨烯对电流流动的阻碍作用。而全新的玻璃——石墨烯系统可以迎接这项挑战。