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光学物理学

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石墨烯可以使‘perfect’ solar cells

纳米结构使石墨烯发光

将石墨烯与特殊的金属纳米结构结合在一起的新设备可以带来更好的太阳能电池和光通信系统。这是英国研究人员的说法,他们测量了当石墨烯被此类纳米结构覆盖时,其捕获的光量增加了20倍。这项工作提供了进一步的证据,表明尽管该材料没有电子带隙,但它可能是制造光子学和光电子设备的理想材料。

石墨烯是一层碳原子,排列成仅一个原子厚的蜂窝状晶格。自2004年被发现以来,“wonder material”不断增加的独特电子和机械性能清单一直令科学家着迷。一些人认为石墨烯可以在许多技术应用中找到用途–甚至取代硅成为电子行业’选择的材料。这是因为电子以极高的速度穿过石墨烯,其行为类似于“Dirac”没有静止质量的颗粒。

石墨烯也有望成为光子学应用的候选者–特别是光通讯,因为速度是一个问题。材料有理想“内部量子效率”因为几乎所有被石墨烯吸收的光子都会产生一个电子-空穴对,从原理上讲可以转换为电流。由于其狄拉克(Dirac)电子,它还可以吸收任何颜色的光,并且对光的响应非常快。后者表明它可以用来创建比当今光通信中使用的任何设备都快得多的设备。

解决的缺点

研究人员还已经表明,他们可以用这种材料制造基本的太阳能电池,发光器件,触摸屏,光电探测器和锁模超快激光器。但是,当然也有缺点:石墨烯’s “外部量子效率” is low –它吸收的光线不到其上的3%。此外,有用的电流只能从具有优化的电接触的基于石墨烯的设备中提取“asymmetry” –事实证明,这是很难实现的。

现在,剑桥大学和曼彻斯特大学的研究人员可能通过将石墨烯与等离子体纳米结构配对来解决了这两个问题。这些是通过将入射光与金属表面上的电子耦合来增强材料中局部电磁场的金属器件。在石墨烯样品的顶部制造纳米结构,以将电磁场集中在材料将光转换为电流的区域中,从而显着增加产生的光电压。

包括曼彻斯特在内的球队’s因发现石墨烯而获得2010年诺贝尔物理学奖的获得者Andre Geim和Kostya Novoselov,首先是使用现在著名的石墨烯样品制备“sticky tape”方法。这涉及从一块石墨中机械去除石墨烯的单层。然后,研究人员使用电子束光刻技术在石墨烯上形成由钛和金制成的触点,从而由该材料制成了两端子电子设备。接下来,将各种等离子体纳米结构组装在靠近触点的位置。

迄今为止最高的效率

曼彻斯特团队成员亚历山大·格里戈连科说,新设备的外部量子效率接近50%,这是迄今为止石墨烯的最高值。与未接触的石墨烯相比,这将石墨烯的光收集能力提高了一个数量级以上,而又不牺牲其速度。“如果我们采用的等离激元纳米结构得到优化,那么应该有可能实现完美的光电流转换,其中落在石墨烯上的每个光子都将转换为电流,” he told physicsworld.com. “这正是太阳能电池行业正在等待的东西。”

Furthermore, the problem of creating contacts with the desired 不对称 is addressed through the use of titanium and gold in the device.

“我们的工作是迈向第一步‘perfect’光电探测器和太阳能电池,因为我们已经证明等离激元有助于石墨烯以理想的效率将光转换为电能,”剑桥合作项目负责人Andrea Ferrari说。“优化石墨烯中的光相互作用和光电压生成将是一系列应用(例如太阳能电池,成像和电信)的关键。”

大量的电荷载体

他补充说,石墨烯也可能是常规等离激元和纳米光子材料的可行替代品,因为与这些材料相比,石墨烯具有许多优势。它可以吸收电磁波谱中任何波长的光,从紫外线到可见光和远红外波长,这意味着无需进行带隙工程;它可以将这种光限制为前所未有的小体积。法拉利声称,石墨烯中载流子的大量涌现以及研究人员现在可以大量大量生产这种材料这一事实,意味着它在光电探测器,可调速超快激光器和成像等各种应用中都可以胜过所有现有的半导体技术。

“石墨烯似乎是等离子体的自然伴侣,” adds Grigorenko. “我们期望等离激元纳米结构可以提高基于石墨烯的器件的效率,但没有想到这种改进会如此显着。”

在新结果的刺激下,研究小组现在计划更详细地研究光与石墨烯的相互作用。研究人员还希望优化其等离子体纳米结构,例如,通过利用耦合或“cascaded”等离子体共振可以进一步增强产生的光电压。“我们还可以通过使用几层石墨烯来进一步提高光吸收,这可能导致光电压提高100倍,” states Ferrari.

该作品发表在 自然通讯 10.1038 / ncomms1464.

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