秒速赛车:石墨烯光电探测传感器概述及发展

来源:未知作者:admin 日期:2018/06/06 19:30 浏览:

  秒速赛车在纳米材料的研究与发展过程中,碳基材料一直扮演着重要的角色。碳基材料是材料界中一类非常具有魅力的物质,金刚石、石墨、无定形碳等都已经被广泛应用到社会生活的各个角落。近些年来,随着纳米技术的兴起,零维纳米结构的富勒烯和一维纳米结构的碳纳米管,也都展现出了巨大的应用价值和广阔的应用前景。

  2004年,英国曼彻斯特大学的2位物理学家Novselov和Geim利用简单的机械剥离法,在实验室中成功制备了只有一层或者几层石墨碳原子的薄片——石墨烯。石墨烯的发现,在世界范围内的引起了广泛关注,吸引了材料科学和凝聚态物理学科学家极大的研究兴趣,石墨烯的各种独特的物理性质相继被发现和研究。2010年,瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学奖授予了Andre Geim和 Konstantin Novoselov,以表彰他们在石墨烯材料研究领域的卓越贡献。二维碳基材料石墨烯的发现,不仅极大地丰富了碳材料的家族,而且其所具有的特殊纳米结构和性能,使得石墨烯无论是在理论还是实验研究方而都已展示出了重大的科学意义和应用价值,也为碳基材料的研究提供了新的目标和方向。

  石墨烯作为一种新型的碳纳米材料,是由碳原子构成的单层苯环结构(六方点阵蜂巢状)二维晶体碳单质,这样的结构非常稳定。在理想的石墨烯结构中,每个碳原子均与相邻的碳原子之间形成相当牢固的σ键,而剩余的那个未成键p电子则在垂直于石墨烯平面的方向上,也就形成了sp2杂化轨道,并形成了贯穿全层的大π键,便于电子自由移动,因此石墨烯有了金属般的特性,导电性能十分优异。单层石墨烯厚度只有一个碳原子厚,约为0.335 nm,是目前已知的最轻薄的一种材料,其具有很多碳材料所不具备的超强特性。石墨烯中碳原子之间的作用力较小,当施加外力时,整个大平面就会随之发生弯曲变形,继而保障了石墨烯结构的稳定性,成为目前世界上强度最高的物质,秒速赛车:比金刚石还要坚硬。石墨烯是自然界最薄最坚韧的材料,其理论比表面积高达2 630 m2/g,并且兼具非比寻常的的导热性能3 000 W/(m•K)、力学性能1 060 GPa,以及室温下的高电子迁移率15 000 cm2/Vs;石墨烯几乎完全透明,只吸收大约2.3%的光,同时它还具有一些其他优异特性,譬如非定域性、量子力学效应和双极性电场等。因为其独特的优异性能,石墨烯及其复合物被广泛应用于场效应晶体管、超级电容器,秒速赛车:石墨烯光电探测传感器概述及发展现状锂离子电池、气体传感器、化学传感器等。

  石墨烯名字来源于石墨(Graphite)和烯(Ene),石墨本身就是由众多石墨烯层层堆积而成的石墨烯具有六角平面网状结构,六角平面内3个sp2杂化轨道互成120°角排列,与相邻碳原子形成共价键。每个碳原子与另外3个碳原子相连,6个碳原子在同一平面上形成正六边形的环,伸展形成片层结构。由于石墨烯的这种结构,所以它可以通过卷曲或堆垛来构建其他维数的碳质材料。

  光电转化器件是指将光信号转化为电信号的电子元件,也称为光探测传感器。石墨烯具有优异的光学、热学特性和电学特性,将突出的光热性质和高速的电学传导特性相结合催生出的新性质以及基于这种新性质制成的光电、光热电器件,其性能必将十分优异。

  目前已有石墨烯基光探测传感器主要包括光伏型光探测传感器、光导型光探测和光热电型光探测传感器。

  由石墨烯制成的光伏型光探测传感器的基本构造是在石墨烯上蒸镀金属电极,通过电极连接外部的信号接收部分。其工作的基本原理是在金属和石墨烯接触的部分形成肖特基势垒,在肖特基势垒的空间电场区,被光激发出的过剩电子和空穴被内建电场分离,进而形成光电流。石墨烯的光探测传感器工作在自驱动的模式下,这是因为石墨烯构成的电子器件在外加电场下其暗电流会很大,光激发状态下的电流变化不明显,无法分辨,故现有的石墨烯光探测传感器件都是没有外加电压的。由于石墨烯独特的能带结构,使得它在光伏型光探测传感器应用方面有着明显的优势。

  早期的石墨烯光伏型光探测传感器件得研究主要集中在原理探索上,所采用的方法多数是扫描光电流成像技术(scanning photocurrent imaging technique),即用一束激光逐行逐点扫描石墨烯光探测传感器器件得各个位置,记录下激光光斑在每个位置时所对应的光电流,按照记录的数据绘制出光电流大小与位置坐标的关系图,用颜色深浅来表示光电流的大小,以此来直观的显示每个位置被照射时所产生的光电转化效果(如图1所示)。

  Jiwoong Park就采用这种方法分析了他们制成的简单石墨烯光探测传感器的光电流生成机理,他们将机械剥离法得到的单层石墨烯放置在SiO2层厚度为280nm的绝缘硅片,随后在石墨烯上沉积了8个金电。