石墨烯异质结构展现了令人兴奋的电学性质

曼彻斯特大学和新加坡国立大学的研究人员展示了在三维堆积中多层异质结构如何产生令人兴奋的物理现象并以此来研发新型电子器件。这一突破使得由外墙吸收的太阳光所产生的电子能量供应整个建筑的需求;根据温度和亮度等环境条件的不同,能量可以根据需要用来改变固定装置和窗户的透明度和反射率。

2004年,诺贝尔奖获得者安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授成功的分离石墨烯使得整个单分子层材料新家族被发现。石墨烯是世界上最薄、强度最高、导电性能最好的材料,并具有使众多不同应用彻底变革的潜力。这些应用包括从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。总体上,这样一种二维晶体展示了各式各样高超的性质:从导电到绝缘,从不透明度到透明。在这些堆叠中任何新的一层都会为整体增加令人兴奋的新功能,所以异质结构是用来发展新型多功能器件的理想材料。

“1+1>2”——二维晶体与其他材料结合使研究人员能够得到从任何单一材料都无法获得的功能性。曼彻斯特和新加坡的研究人员将这些异质结构的功能扩展到光电子学和光子学。通过将石墨烯与单层过渡金属二硫属元素化合物结合(TMDC),研究人员能够创造出极其灵敏高效的光电器件。这样的器件有用作超灵敏的光检测器或者高效太阳能电池的潜力。在这些器件中,TMDC层夹在两层石墨烯之间形成一个三明治结构,将两种二维晶体的优越性质结合起来。TMDC层作为高效的光吸收器而石墨烯作为透明导电层,这将使该光电器件整合成为更加复杂、多功能的异质结构。

诺沃肖洛夫教授说:“我们对于由基于二维原子晶体的异质结构带给我们的物理学研究的新领域和新机遇感到非常兴奋。目前二维原子晶体的种类已经得到了丰富,可以根据需要的参数进行选择。这样的光敏性异质结构还会增加新的可能性,并为新型实验做好准备。由于我们创造了越来越复杂的异质结构,所以器件的功能将变得丰富,从而进入多功能器件领域。”曼彻斯特大学的研究人员和第一作者莱姆·布里特内尔博士补充道,“令人惊叹的是我们在极短的时间内就从构建这种感光性异质结构的想法跨越到了制造功能性的器件。并且该工作几乎从一开始就很顺利,即使完全没有优化过的结构依然展现了非常喜人的性质。”

新加坡国立大学石墨烯研究中心的安东尼奥·卡斯特罗·尼托教授说:“我们可以确定超感光TMDC和透光导电的石墨烯两种材料被理想的结合,这两者共同创造了一种超高效的光电器件。我们确信随着我们对二维原子晶体领域的进一步研究,我们将能够发展出更多像这样令人赞叹的材料,并创造出更多附有多种功能的复杂异质结构。现在这个领域非常开放,我们将去探索。”曼彻斯特大学的辛西娅·卡希拉奇博士补充说:“感光性的异质结构会为具有新功能的其他异质结构开辟新天地。我们也计划未来将更廉价且更高效的异质结构用于光电器件。”

来源:University of Manchester