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掺杂石墨烯纳米带具有潜力

石墨烯具有许多突出的特性:它传导热量和电力,它是透明的,比钻石更硬,非常坚固。但是,为了用它来构造电子开关,材料不仅必须是优秀的导体,还应该在“开”和“关”状态之间切换。这需要存在所谓的带隙,这使得半导体能够处于绝缘状态。然而,问题在于石墨烯中的带隙非常小。来自“纳米技术@表面”实验室的Empa研究人员因此开发了一种方法,通过允许超窄石墨烯纳米带通过分子自组装“生长”来合成具有更大带隙的石墨烯形式。

石墨烯纳米带由不同掺杂的片段制成

由Roman Fasel领导的研究人员现在通过允许由不同掺杂的亚段组成的石墨烯纳米带生长,实现了一个新的里程碑。他们不是总是使用相同的“纯”碳分子,而是使用额外的掺杂分子 - 在精确定义的位置提供“外来原子”的分子,在这种情况下为氮。通过将“正常”区段与金(Au(111))表面上的氮掺杂区段串在一起,在各个区段之间产生所谓的异质结。研究人员已经证明,它们显示出与传统pn结相似的特性,即在半导体晶体的不同区域具有正负电荷的结,从而创建了允许开发半导体工业中使用的许多元件的基本结构。pn结导致电流仅在一个方向上流动。由于异质结界面处的急剧过渡,新结构还允许在施加外部电压时有效地分离电子/空穴对,正如Empa的理论家和伦斯勒理工学院的合作者在理论上所证明的那样后者对太阳能电池的功率输出。

研究人员在最近出版的Nature Nanotechnology杂志中描述了分段石墨烯纳米带中相应的异质结。

将石墨烯纳米带转移到其他基板上

此外,科学家还解决了将石墨烯纳米技术整合到传统半导体产业中的另一个关键问题:如何将超窄石墨烯带转移到另一个表面上?只要石墨烯纳米带保留在金属基板(例如此处使用的金)上,它们就不能用作电子开关。金导电并因此产生短路,“破坏”石墨烯带的吸引人的半导体特性。位于美因茨Max-Planck聚合物研究所的Fasel团队及其同事成功地证明了石墨烯纳米带可以通过相对简单的蚀刻和清洁工艺有效地转移到(几乎)任何基材上,例如蓝宝石,钙氟化物或氧化硅。

因此,石墨烯越来越多地成为一种有趣的半导体材料,并成为无所不在的硅片的受欢迎的补充。半导体石墨烯纳米带特别有吸引力,因为它们允许比硅更小且因此更节能和更快的电子元件。然而,石墨烯纳米带在电子领域的普遍使用在不久的将来不会出现,部分原因在于缩放问题,部分原因是难以替换成熟的传统硅基电子产品。Fasel估计,在石墨烯纳米带制成的第一个电子开关可用于产品之前,可能还需要10到15年的时间。

用于光伏组件的石墨烯纳米带

光伏组件有一天也可能基于石墨烯。在“自然通讯”上发表的第二篇论文中,Pascal Ruffieux(也来自Empa“nanotech @ surfaces”实验室)及其同事描述了石墨烯条带的可能用途,例如太阳能电池。Ruffieux和他的团队已经注意到特别窄的石墨烯纳米带非常好地吸收可见光,因此非常适合用作有机太阳能电池中的吸收层。与在所有波长下均等吸收光的“普通”石墨烯相比,石墨烯纳米带中的光吸收可以以受控方式极大地增加,由此研究人员以原子精度“设定”石墨烯纳米带的宽度。

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