基于石墨烯的肖特基結(jié)輻射伏特同位素電池

李洪亮

東北核工業(yè)放射性物質(zhì)檢測有限公司 遼寧 沈陽110032

1 試驗

1.1 硅襯底材料的處理 基于常規(guī)的石墨烯/硅肖特基結(jié)器件的設(shè)計,襯底采用帶有80n m 厚的二氧化硅層的n型〈100〉Si片(厚度400μm,電阻率1～5Ω·c m),購于蘇州晶矽電子科技有限公司。均勻裁剪成尺寸為13 mm×13 mm 的小樣品后,利用緩沖氧化物(BOE)刻蝕液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)49%HF水溶液與質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%CH4F水溶液的體積比為1∶6)除去表面中間區(qū)域的氧化層,然后依次用丙酮、乙醇及去離子水沖洗干凈后吹干備用。

1.2 石墨烯材料的處理 本實驗中使用的兩種石墨烯分別為單層石墨烯和少層(3～5層)石墨烯,且均為銅基石墨烯,購于合肥微晶材料科技有限公司。石墨烯采用濕法轉(zhuǎn)移工藝轉(zhuǎn)移至上述目標(biāo)襯底上。將轉(zhuǎn)移后的石墨烯/硅樣品放置于熱丙酮溶液中浸泡20 min,以除去石墨烯表面剩余的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)將除去PMMA后的石墨烯/硅樣品置于發(fā)煙硝酸蒸氣中1～2 min,制成硝酸摻雜石墨烯樣品。同樣,將除去PMMA后的石墨烯/硅樣品按照濕法轉(zhuǎn)移工藝實現(xiàn)石墨烯的多次轉(zhuǎn)移,從而制備多層石墨烯樣品。需注意的是,每次轉(zhuǎn)移石墨烯前都需待前一次轉(zhuǎn)移的石墨烯/硅樣品干燥后再進(jìn)行。

1.3 石墨烯/硅肖特基結(jié)輻射伏特同位素電池的制作及測試 實驗中涂覆環(huán)狀銀漿與石墨烯接觸形成上電極,背電極則采用涂刮銦鎵合金與硅襯底接觸,同時將整個器件固定于印制電路板(PCR)上,方便器件的轉(zhuǎn)移與測試。環(huán)狀銀電極內(nèi)的石墨烯面積即為電池有效工作面積。

通過暗環(huán)境下測量得到的J-V 曲線可分析肖特基結(jié)器件的二極管特性,從而獲得器件的反向飽和電流密度(JO)、理想因子(n)、肖特基結(jié)勢壘高度(φB)、串聯(lián)電阻(Rs)和并聯(lián)電阻(Rsh)等相關(guān)參數(shù)。在放射源環(huán)境下測量得到的J-V曲線與兩坐標(biāo)軸的交點分別為開路電壓(Voc)和短路電流密度(Jcs)。當(dāng)電池的輸出功率達(dá)到最大時,對應(yīng)于J-V 曲線上的最大功率點(Pm),其對應(yīng)的電壓和電流密度分別稱為最大功率電壓(Vm)和最大功率電流密度(Jm)。填充因子FF決定了電池的輸出效應(yīng),通常被定義為電池的最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積的比值,表示為FF=(VmJm)/(VocJsc),石墨烯/硅肖特基結(jié)輻射伏特同位素電池的能量轉(zhuǎn)換效率η定義為最大輸出功率Pm 與放射源入射功率Pin的比值。

式中:q為單位電荷的電量;a為放射源活度(Ci);Eave為放射源衰變β粒子的平均能量(對于63Ni源,其值為17.6Ke V)。

2 分析與討論

2.1 單層/少層石墨烯對換能單元性能的影響 暗環(huán)境下單層/少層的石墨烯/硅肖特基結(jié)換能單元器件的二極管特性。在零偏壓下,少層石墨烯器件的暗電流相較于單層石墨烯器件低,說明適當(dāng)增加石墨烯層數(shù)可以抑制器件的暗電流。對不同層數(shù)的石墨烯/硅器件在暗環(huán)境下的lnJ-V 特性曲線中的線性部分進(jìn)行擬合,切線斜率為器件的理想因子。器件的基本性能參數(shù)見表1,從表中可知,單層石墨烯器件的理想因子為2.2,而少層石墨烯器件的理想因子為1.7,適當(dāng)增加石墨烯的層數(shù)可以改善石墨烯/硅器件的理想因子,使器件的肖特基結(jié)特性得到提升。從表中可以進(jìn)一步看出,單層石墨器件的反向飽和電流密度JO 為1.68×10-7/c m2,少層石墨器件的反向飽和電流密度JO為8.34×10-8A/c m2,器件暗電流測試結(jié)果幾乎一致。因而,后續(xù)實驗均采用少層石墨烯。不可忽視的是,通過實驗得到的單層石墨烯與n型硅的勢壘高度要高于理論計算的0.7～0.8e V,這主要是由于空氣中的氧分子和水分子對石墨烯的自然P型摻雜結(jié)果造成的,說明對石墨烯進(jìn)行摻雜可有效改善石墨烯的性能,提高其肖特基結(jié)的勢壘高度。

表1 不同石墨烯層數(shù)的石墨烯/硅器件性能參數(shù)

2.2 多層石墨烯/硅肖特基結(jié)輻射伏特同位素電池器件性能的研究研究人員發(fā)現(xiàn)通過疊層轉(zhuǎn)移石墨烯的方法可適當(dāng)增加石墨烯的厚度,從而繼續(xù)提高石墨烯的功函數(shù)及其載流子的輸運能力,同時,適當(dāng)降低器件有效面積,可以降低器件的串聯(lián)電阻。基于此,為了進(jìn)一步優(yōu)化所制備的石墨烯/硅同位素電池器件的輸出性能,將少層(3～5層)石墨烯經(jīng)過不同次數(shù)的疊層轉(zhuǎn)移并經(jīng)過2 min硝酸摻雜,同時器件的有效受輻照面積由6 mm×6 mm減小為4 mm×4 mm。在相同的硝酸摻雜時間下,隨著石墨烯轉(zhuǎn)移次數(shù)的增加,石墨烯/硅器件在零偏壓下的暗電流及反向飽和電流密度JO 都逐漸減小。

結(jié)語

①相較于單層石墨烯,適當(dāng)增加石墨烯層數(shù)即采用少層石墨烯,器件的肖特基結(jié)特性得到一定的提升;②硝酸摻雜明顯改善了石墨烯/硅肖特基結(jié)二極管的性能,相較于未經(jīng)硝酸摻雜的器件,經(jīng)過2 min硝酸摻雜的石墨烯/硅器件在63 Ni放射源的照射下,其短路電流密度提高了約60%。