Nano Lett. 交替掺杂石墨烯PN结的化学电势差优化
新闻简介：
石墨烯因独特的二维层状原子晶体结构和狄拉克锥形电子能带结构而具有新奇的电学、光学和光电子学性质。PN结则是双极型晶体管和场效应晶体管的核心结构，更是现代电子技术的基础。石墨烯PN结应用为极小的高效光电探测器，具有非常广阔的前景。而通过提高石墨烯PN结的化学电势差能够进一步提高光电探测器的效率，不过这种调整只局限于几百毫电子伏特之内。
最近在Nano Lett.上发表的文章表明，研究人员已经发明出了一种新型的化学蒸汽沉积法，能够合成优化化学电势差的交替硼氮石墨烯PN结。此方法的优势在于结合了调制掺杂的合成策略和温度调节化学气相沉积法。得到的交替硼氮石墨烯PN异质结构具有单晶性质，并且很大程度上提高了化学电势差(高达1eV)。通过相应的理论与实验数据计算，研究人员对光热电效应下相应设备的高效光转换有了更深刻的认识。
图文导读：
图1a是利用化学气相沉积法使交替BNG(硼氮掺杂石墨烯)薄膜生长的示意图，此方法优化了石墨烯PN结的化学电势差。图1b是在铜箔表面的900PN结生长的扫描电镜图像。图1c是进一步的原子发射光谱线分析结果，分析了掺杂物浓度沿着图b中的白线方向，掺杂浓度的变化情况。图1d是在Si/SiO2基体上的交替BNG样本的光学显微镜图像。图1e是在硅晶上4英寸长的BNG薄膜。图1f为BNG样品的拉曼光谱。图1g是二维带位置的拉曼成像，反映了掺杂的均匀性。
图1：(a) 上：利用化学气相沉积法使交替氮硼掺杂石墨烯薄膜生长，图中展示了形核以及连续外延生长的步骤。下：化学气相沉积法得到的交替BNG PN结的化学电势差被提高，图中可以明显看出，生长时高温往往导致石墨烯较低的掺杂水平。(b) 在BNG结构中，氮掺杂石墨烯和硼掺杂石墨烯的典型原子反射光谱点分析结果。插图为在铜箔上交替BNG薄膜的扫描电镜图像。(c) 表明了元素分布在PN结中呈现分离的趋势。(d) 在PN结中沿着图b中白线的掺杂浓度的变化情况。插图为交替BNG薄膜的光学显微镜图像。(e) 在4英寸硅晶上的大面积交替BNG薄膜。(f) 分别在1000,950,900℃下生长的交替BNG PN结的NG(蓝色)和BG(红色)部分的典型拉曼光谱。(g) 在交替BNG PN结上拉曼光谱的二维带结构图。插图为相应的扫描电镜图像。
图2a是利用角分辨光电子能谱法测得的交替硼氮掺杂石墨烯PN结的扫描电镜图像。图2b是展示了P区域和N区域的结合能具有明显差别的堆叠图。在空间分布绘制出来之后，图2c-f表明分析角分辨光电子能谱的形貌图和局部测量结果，可以进一步选择p型和n型石墨烯领域。
图2：(a) 利用角分辨光电子能谱法测得的交替硼氮掺杂石墨烯PN结的扫描电镜图像。(b) 展示了P区域和N区域的结合能具有明显差别的堆叠图。(c,d) N型和P型域的光电子能谱的三维强度图。(e,f) 在N型和P型区的狄拉克点的带隙测量。
图3a是一个离散颗粒的低倍透射电子显微镜图像。图3b-e是在3a中标记部分的电子衍射图样，图3f是整个颗粒的电子衍射图样角度分布柱状图。图3g,h是使用像差较正的透射电子显微镜观察的硼氮掺杂石墨烯PN结的原子结构。
图3：(a) 分散BNG颗粒的低倍透射电镜图像。为增大对比度，颗粒被标为了橙色。(b-e) 在3a中标记部分的电子衍射图样。b、e点为红色圈，对应BG部分，c、d对应NG部分。(f) 整个颗粒的电子衍射图样角度分布柱状图。(g、h) 使用像差较正的透射电子显微镜观察的硼氮掺杂石墨烯PN结的原子结构。展现了完美的六次对称碳晶格。
图4a是一个石墨烯光电探测器的工作示意图。图4b是950PN结的典型转移特性曲线。图4c是该设备的空间转变光电压图谱。图4d是由于光热电效应导致的光电压强度变化图像。图4e是在PN结区域产生的光电压。图4f表明了通过掺杂优化石墨烯PN结的化学电势差能够显著提高光转换效率。
图4：(a) 用于光电探测的石墨烯PN结晶体管的工作示意图。(b) 950PN结的典型转移特性曲线。插图为测试设备的扫描电镜图像。(c) 相应的光电压图像。(d) 基于光热电效应，在PN结中反映化学电势的光电压强度计算结果。(e) 光电压与栅极电压的对应关系图，其中出现了一个波峰与一个波谷，表明了是光热电效应而不是光伏效应，在石墨烯PN结的光转换过程中产生了主要的影响。(f) 在三种类型的设备中，化学电势差的统计结果。其中，950PN结的化学电势差的敏感性最高。插图为掺杂水平与敏感性的对应关系图。
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