石墨烯PN結的調制摻雜生長與光電轉換器件研究取得進展

石墨烯因獨特的二維層狀原子晶體結構和狄拉克錐形電子能帶結構而具有新奇的電學、光學和光電子學性質。PN結則是雙極型晶體管和場效應晶體管的核心結構，更是現代電子技術的基礎。石墨烯中的PN結將具有電子負折射率效應和分數量子霍爾效應，此外，其特有的“光熱電”效應還可實現基于“熱載流子”原理的高效光電能量轉換。高質量石墨烯PN結光電器件以其特殊的工作機制，有可能打破傳統光電技術中的諸多限制條件，為光電器件帶來更大響應帶寬、更快轉換速度及更低檢測閾值，促進新一代光電子技術的發展，在太陽能電池、夜視系統、天文望遠鏡及半導體傳感器等領域均有潛在的應用價值。然而，為了實現這一目標，必須在保證石墨烯質量的前提下實現高可控性和均一性的穩定摻雜，這對石墨烯的可控制備提出了極大的挑戰。

北京大學化學與分子工程學院劉忠范-彭海琳課題組根據材料生長中調制摻雜的原理，提出了具有高遷移率、摻雜區域可控的石墨烯(亦即“馬賽克”石墨烯)的調制摻雜生長方法，成功攻克了這一難題，實現了“馬賽克”石墨烯這種世上最薄的PN結材料的規模制備。研究表明，調制摻雜生長的石墨烯PN結具有很高的載流子遷移率。在此基礎上，該課題組又成功研制了基于“光熱電”機制的高性能光電轉換器件，為石墨烯光電轉換的規模應用奠定了基礎。該工作是石墨烯的化學氣相沉積生長領域的一項重要突破，對基于石墨烯的新型光電器件、以及燃料電池、超級電容器和鋰離子電池的新型碳基電極材料的研制也有積極意義。部分工作已發表在《自然》子刊《自然—通訊》，并已申請了發明專利。