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研究人員成功在玻璃表面直接生長石墨烯

上網時間: 2016年02月24日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:石墨烯  摻雜  鈉鈣玻璃  ITO  CIGS 

美國紐約州布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory;BNL)的科學家們發現一種更有效的摻雜機制,有助於在普通玻璃上直接生長石墨烯薄層。

石墨烯是一種具有高遷移率的碳原子單層,科學家們已經針對微電子與光電元件開發出一種可擴展且低成本的製程。石墨烯具有高導電性與透明度,使其成為透明導電電極的理想替代方案,可在太陽能電池、有機發光二極體(OLED)、平面顯示器與觸控螢幕等應用中,取代較脆弱且昂貴的銦錫氧化物(ITO)。

科學家們在鈉鈣玻璃(Soda Lime Glass)——玻璃瓶與窗戶最常使用的玻璃——基板上打造石墨烯元件,並發現存在玻璃中的鈉可作為石墨烯的摻雜劑。甚至是在暴露於空氣中經過幾星期後,存在於元件中的這種效應仍然極其強勁。


如上的掃瞄式電子顯微鏡圖所示,白色比例尺測得該元件為10um;而以CIGS/石墨烯介面的穿透式電子顯微鏡圖來看,白色比例尺測得100nm
(來源:Brookhaven National Laboratory)

「鈉鈣玻璃內部存在的鈉為石墨烯帶來了高遷移率,這在許多製程中至關重要,在實現過程中也存在挑戰性,」Voxtel, Inc.資深科學家Nanditha Dissanayake表示。Nanditha Dissanayake先前曾任職於布魯克海文國家實驗室(Brookhaven Lab)。

該研究隊最初是從最佳化太陽能電池著手,先在銅銦鎵硒(CIGS)半導體上堆疊太陽能電池中所包含的石墨烯薄膜,然後再堆疊於產業級的鈉鈣玻璃玻璃基板上。科學家們接著為新系統進行初步測試,從而為後續的摻雜效應測試提供基準。但這些測試暴露出一些不可思議之處:無需加入額外的化學物質,石墨烯已經實現最佳化摻雜了。


在該研究中所使用的石墨烯場效電晶體機制示意圖。該元件由太陽能電池(包括堆疊於高性能CIGS半導體頂部的石墨烯)組成,再堆疊於鈉鈣玻璃、SLG或BSG等材料的基板上
(來源:Brookhaven National Laboratory)

根據研究結果發現,鈉原子摻雜石墨烯並可形成製造電晶體元件的重要組成部份——這些電晶體具有不同的電洞密度,從而導致電晶體活動。為了確實找到有利的機制,研究人員以鈉作為摻雜劑,致力於探索該系統及其於不同情況下的性能,包括在各種基板上(無論是否採用鈉)製造元件與測量摻雜強度。

除了美國能源部(DoE)旗下布魯克海文國家實驗室,這項研究並獲得了石溪大學(Stony Brook University;SBU)以及紐約州立大學理工學院(SUNY Polytechnic Institute)的奈米科學與工程學院等單位的共同合作。

科學家們目前還需要更深入地探索摻雜機制的基礎,以及更詳細地研究材料在暴露於現實運作條件期間的韌性。然而,根據最初的研究結果顯示,採用玻璃石墨烯的途徑比其他許多摻雜機制更能有效防止退化。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Graphene-on-glass makes doped transistor,by Peter Clarke)





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