Nano Lett. 交替摻雜石墨烯PN結的化學電勢差優化
新聞簡介：
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PN結應用為極小的高效光電探測器，具有非常廣闊的前景。而通過提高石墨烯PN結的化學電勢差能夠進一步提高光電探測器的效率，不過這種調整只局限于幾百毫電子伏特之內。
最近在Nano Lett.上發表的文章表明，研究人員已經發明出了一種新型的化學蒸汽沉積法，能夠合成優化化學電勢差的交替硼氮石墨烯PN結。此方法的優勢在于結合了調制摻雜的合成策略和溫度調節化學氣相沉積法。得到的交替硼氮石墨烯PN異質結構具有單晶性質，并且很大程度上提高了化學電勢差(高達1eV)。通過相應的理論與實驗數據計算，研究人員對光熱電效應下相應設備的高效光轉換有了更深刻的認識。
圖文導讀：
圖1a是利用化學氣相沉積法使交替BNG(硼氮摻雜石墨烯)薄膜生長的示意圖，此方法優化了石墨烯PN結的化學電勢差。圖1b是在銅箔表面的900PN結生長的掃描電鏡圖像。圖1c是進一步的原子發射光譜線分析結果，分析了摻雜物濃度沿著圖b中的白線方向，摻雜濃度的變化情況。圖1d是在Si/SiO2基體上的交替BNG樣本的光學顯微鏡圖像。圖1e是在硅晶上4英寸長的BNG薄膜。圖1f為BNG樣品的拉曼光譜。圖1g是二維帶位置的拉曼成像，反映了摻雜的均勻性。
圖1：(a) 上：利用化學氣相沉積法使交替氮硼摻雜石墨烯薄膜生長，圖中展示了形核以及連續外延生長的步驟。下：化學氣相沉積法得到的交替BNG PN結的化學電勢差被提高，圖中可以明顯看出，生長時高溫往往導致石墨烯較低的摻雜水平。(b) 在BNG結構中，氮摻雜石墨烯和硼摻雜石墨烯的典型原子反射光譜點分析結果。插圖為在銅箔上交替BNG薄膜的掃描電鏡圖像。(c) 表明了元素分布在PN結中呈現分離的趨勢。(d) 在PN結中沿著圖b中白線的摻雜濃度的變化情況。插圖為交替BNG薄膜的光學顯微鏡圖像。(e) 在4英寸硅晶上的大面積交替BNG薄膜。(f) 分別在1000,950,900℃下生長的交替BNG PN結的NG(藍色)和BG(紅色)部分的典型拉曼光譜。(g) 在交替BNG PN結上拉曼光譜的二維帶結構圖。插圖為相應的掃描電鏡圖像。
圖2a是利用角分辨光電子能譜法測得的交替硼氮摻雜石墨烯PN結的掃描電鏡圖像。圖2b是展示了P區域和N區域的結合能具有明顯差別的堆疊圖。在空間分布繪制出來之后，圖2c-f表明分析角分辨光電子能譜的形貌圖和局部測量結果，可以進一步選擇p型和n型石墨烯領域。
圖2：(a) 利用角分辨光電子能譜法測得的交替硼氮摻雜石墨烯PN結的掃描電鏡圖像。(b) 展示了P區域和N區域的結合能具有明顯差別的堆疊圖。(c,d) N型和P型域的光電子能譜的三維強度圖。(e,f) 在N型和P型區的狄拉克點的帶隙測量。
圖3a是一個離散顆粒的低倍透射電子顯微鏡圖像。圖3b-e是在3a中標記部分的電子衍射圖樣，圖3f是整個顆粒的電子衍射圖樣角度分布柱狀圖。圖3g,h是使用像差較正的透射電子顯微鏡觀察的硼氮摻雜石墨烯PN結的原子結構。
圖3：(a) 分散BNG顆粒的低倍透射電鏡圖像。為增大對比度，顆粒被標為了橙色。(b-e) 在3a中標記部分的電子衍射圖樣。b、e點為紅色圈，對應BG部分，c、d對應NG部分。(f) 整個顆粒的電子衍射圖樣角度分布柱狀圖。(g、h) 使用像差較正的透射電子顯微鏡觀察的硼氮摻雜石墨烯PN結的原子結構。展現了完美的六次對稱碳晶格。
圖4a是一個石墨烯光電探測器的工作示意圖。圖4b是950PN結的典型轉移特性曲線。圖4c是該設備的空間轉變光電壓圖譜。圖4d是由于光熱電效應導致的光電壓強度變化圖像。圖4e是在PN結區域產生的光電壓。圖4f表明了通過摻雜優化石墨烯PN結的化學電勢差能夠顯著提高光轉換效率。
圖4：(a) 用于光電探測的石墨烯PN結晶體管的工作示意圖。(b) 950PN結的典型轉移特性曲線。插圖為測試設備的掃描電鏡圖像。(c) 相應的光電壓圖像。(d) 基于光熱電效應，在PN結中反映化學電勢的光電壓強度計算結果。(e) 光電壓與柵極電壓的對應關系圖，其中出現了一個波峰與一個波谷，表明了是光熱電效應而不是光伏效應，在石墨烯PN結的光轉換過程中產生了主要的影響。(f) 在三種類型的設備中，化學電勢差的統計結果。其中，950PN結的化學電勢差的敏感性最高。插圖為摻雜水平與敏感性的對應關系圖。
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