本研究提出了一種在石墨烯中實(shí)現(xiàn)n型摻雜的新方法，并通過(guò)使用光堿基發(fā)生器（PBG）的光誘導(dǎo)電子摻雜方法創(chuàng)建石墨烯p–n結(jié)。PBG的獨(dú)特性質(zhì)使我們能夠通過(guò)光激活在空間和時(shí)間上控制摻雜過(guò)程。石墨烯膜上特定區(qū)域的選擇性照射能夠?qū)⑵鋼诫s從p-型切換到n-型，電動(dòng)勢(shì)以及塞貝克和霍爾系數(shù)的變化證實(shí)了這一點(diǎn)。我們使用霍爾效應(yīng)測(cè)量證明了超過(guò)1000 cm
2 V
-1s
-1的穩(wěn)定（超過(guò)2個(gè)月）高電子遷移率。石墨烯中摻雜的精確控制和p–n結(jié)的形成為各種電子、光電和熱電應(yīng)用提供了令人興奮的可能性。此外，我們制造了高電動(dòng)勢(shì)約為ca.80μV/K的透明石墨烯熱電偶。這驗(yàn)證了本研究的方法在溫度傳感應(yīng)用中的可靠性和有效性。這項(xiàng)工作通過(guò)受控?fù)诫s和圖案化技術(shù)為高性能石墨烯基電子器件鋪平了道路。這些發(fā)現(xiàn)為石墨烯在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了寶貴的見(jiàn)解。
圖1. （a） 石墨烯在銅襯底上的橫截面TEM圖像。（b） 石墨烯在PET基板上的照片，尺寸為A4。（c） 使用PBG和UV照射將石墨烯從p型摻雜轉(zhuǎn)換為n型摻雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程的示意圖。通過(guò)層壓將PBG涂覆在石墨烯基板上，并且從基板側(cè)施加UV照射。（d） 顯示石墨烯的光誘導(dǎo)電子摻雜的方案（表示為G）。在紫外線照射過(guò)程中，PBG發(fā)生脫羧反應(yīng)，釋放出堿TBD。此外，TBD將電子轉(zhuǎn)移到石墨烯晶格。
圖2. （a） 石墨烯PBG膜電導(dǎo)隨紫外線照射時(shí)間的變化。圖顯示了紫外線照射的起點(diǎn)。（b） 初始石墨烯膜（開(kāi)放圓）和PBG-UV處理后（閉合圓）的塞貝克系數(shù)測(cè)量結(jié)果的比較。（c） 在6 K的溫差下原位測(cè)量石墨烯PBG膜中的電動(dòng)勢(shì)。圖顯示了紫外線照射的起始點(diǎn)。
圖3. （a） 片電阻（RS）、（b）霍爾系數(shù)（RH）、（c）載流子密度（n）和（d）原始石墨烯、PBG涂覆的石墨烯、100 mJ cm
–2的紫外線照射的PBG涂覆石墨烯、390 mJ cm
-2的紫外線輻照的PBG涂層石墨烯以及兩個(gè)月后的同一樣品的霍爾遷移率（μ）值。
圖4. 石英襯底（灰色線）、原始石墨烯（黑色線）和紫外線照射的PBG涂層石墨烯（粉紅色線）的拉曼光譜。對(duì)于UV照射的PBG涂覆的石墨烯，使用甲醇去除PBG層以促進(jìn)激光聚焦在石墨烯表面上。
圖5. （a） 制作熱電偶陣列的實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖。PET上的石墨烯被成形為∧形，在頂部形成一個(gè)結(jié)。石墨烯∧-結(jié)構(gòu)的一半涂有PBG，然后使用掩模從PET側(cè)進(jìn)行紫外線照射。小型加熱器用于選擇性地加熱一個(gè)結(jié)（A、B或C）或所有結(jié)。（b–e）分別顯示熱側(cè)和冷側(cè)之間的溫差以及A、b、C和所有接頭上加熱器的相應(yīng)測(cè)量電壓。
相關(guān)研究成果由日本納米材料研究所Kazuhiro Kirihara和筑波大學(xué)Qingshuo Wei等人2023年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c12419)上。原文：Transparent Patternable Large-Area Graphene p–n Junctions by Photoinduced Electron Doping Transistor
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
