穿梭于石墨烯与富勒烯间的电子

由于石墨烯具有理想的二维单原子层晶格结构及易于调节的电子态密度,被认为有可能用作光电器件的透明导电电极和化学、生物传感器的感应元件。而要实现这些潜在应用,非常必要充分理解及控制石墨烯与被分析物质(分子或纳米结构)之间的电荷传输及能量转移。值得指出的是,石墨烯的每个原子均暴露于表面,因此其载流子容易与外部环境发生交换或被散射。周围环境的影响会对纳米器件引入电学噪音(比如本工作所关注的1/f 噪音),这些噪音一般会降低器件的工作性能,比如减小信噪比和载流子迁移率。因此,以往的研究工作都相对集中在分析石墨烯器件的噪音来源并试图削减它。

国家纳米科学中心裘晓辉教授的团队却提出了一项“反其道而行之”的研究思路,研究人员指出如果石墨烯与相接触的物质之间有某种特殊的电学耦合,那么将有可能体现在其噪音频谱中。在近期Small出版的专刊中,裘教授的团队选用富勒烯分子来修饰石墨烯表面并研究两者之间的π电子转移

富勒烯作为碳材料的另一种同素异形体,已在超导输运、单分子器件及有机太阳能电池等领域被广泛研究。因此,构筑石墨烯与富勒烯相结合的“二维+零维”杂化体系并探索其新奇的电学特性可能对拓展纳米碳材料的潜在应用并具有借鉴意义。在这项工作中,石墨烯器件的1/f噪音被用作一种灵敏的探测手段,裘教授的团队通过谨慎对比同一器件在修饰富勒烯分子前后的噪音频谱从而揭示了π电子在石墨烯与富勒烯之间的动态传输机制及其温度响应特性。

裘教授在接受MaterialsViewsChina采访时说:“本研究工作从思路的确定到样品的准备、噪音测量平台的搭建及数据的获取和分析总共历时两年时间。在实验过程中,我们对分子自组装的方法、噪音采集的装置及理论模型均在不断调整,以期获取最优结果。实验中我们惊奇的发现富勒烯分子在石墨烯表面有着丰富的组装形态(比如层数和边界手性调制等),同时其对石墨烯电子功函数、声子振动模式及石墨烯器件的噪音频谱都有着明显的影响。除了器件噪音部分之外,在该实验的相关步骤中获得的其它结果(如富勒烯分子在不同层数石墨烯上的吸附状态)已在JPCB,Nanoscale上发表。”

裘教授还指出了该项研究中的四项难点及解决之道。第一,单分子层(或亚单分子层)在石墨烯表面的自组装形成。实验中,科研人员利用毛细管喷雾方式实现富勒烯分子的组装。而具体实验条件,诸如喷头与样品之间的距离、气流大小、富勒烯溶液浓度及生长时间均对富勒烯分子在石墨烯表面的组装形态有直接影响。他们通过交叉对比实验法反复探索最终找到合适的生长条件。

第二,石墨烯器件表面的洁净程度影响富勒烯与石墨烯之间的耦合。利用标准微加工方法制备的石墨烯器件表面往往会残存一些光刻胶,这样既影响了富勒烯分子的组装也阻碍了电子在分子与石墨烯之间的转移。因此,研究人员在不损害金属电极的前提下利用真空高温退火来处理石墨烯器件,从而提高其表面的洁净程度。

第三,50Hz工频串扰对石墨烯器件噪音频谱的影响。如果采用一般的交流供源的测量仪器采集石墨烯器件的噪音频谱,往往会因为接地回路等原因产生较强的50Hz无用工频信号,这对数据的分析会产生一定的影响。研究人员通过对器件的供源设备、电流放大器及信号采集卡采用干电池供电成功解决了这个问题。

第四,石墨烯器件内多种噪音来源的分析。石墨烯器件的噪音有多种可能来源,各种噪音机制相互竞争。为了抽取富勒烯分子对石墨烯的影响,研究人员尝试建立了一套相对完善的模型体系,从而充分讨论了电荷交换、长/短程散射对石墨烯器件内1/f噪音的贡献。

该工作隶属于裘教授与丹麦哥本哈根大学进行的分子电子学合作研究课题(中国-丹麦基金委资助的国际合作研究项目)。王锐、王圣楠及王小伟等参与完成了主要的实验准备、数据获取及文章撰写工作。Jakob. A. S. Meyer 参与完成了富勒烯分子自组装和拉曼光谱实验以及结果讨论、文章修改。Per. Hedegård、Bo. W. Laursen、Zhihai Cheng 参与了数据的讨论及文章修改。裘教授参与了该研究的设计、数据讨论及文章撰写。

富勒烯分子对石墨烯器件噪音频谱的影响表现出明显的温度依赖关系,其物理本质有待发掘。裘教授表示将进一步降低测量温度,研究在极低温下π电子在富勒烯与石墨烯之间的量子跃迁行为。另外,电荷交换与库伦散射引起的噪音变化体现出相互关联性,他们打算研究噪音与石墨烯表面富勒烯分子覆盖度的变化关系,探明富勒烯分子层在电荷交换、载流子散射及介电屏蔽等多方面的影响。   

裘教授最后阐述道,在清楚了解了二维石墨烯与一维富勒烯分子之间的相互作用机制之后,未来他们将转向研究石墨烯与其他具有特殊功能(热电或光电功能分子等)之间的物理作用,并且不局限于分子层/石墨烯这种两层结构。此外,他们期望利用石墨烯良好的导电、导热以及透光性能,同时结合一些具有热电或者光电效应分子得到具有特殊功能的能源器件。这种利用纳米器件电输运噪音的测量方法也是高灵敏传感器件的一个很有实用价值的工作机制。

徐 广臣 About 徐 广臣

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。

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