本研究提出了一種在石墨烯中實現n型摻雜的新方法，并通過使用光堿基發生器（PBG）的光誘導電子摻雜方法創建石墨烯p–n結。PBG的獨特性質使我們能夠通過光激活在空間和時間上控制摻雜過程。石墨烯膜上特定區域的選擇性照射能夠將其摻雜從p-型切換到n-型，電動勢以及塞貝克和霍爾系數的變化證實了這一點。我們使用霍爾效應測量證明了超過1000 cm
2 V
-1s
-1的穩定（超過2個月）高電子遷移率。石墨烯中摻雜的精確控制和p–n結的形成為各種電子、光電和熱電應用提供了令人興奮的可能性。此外，我們制造了高電動勢約為ca.80μV/K的透明石墨烯熱電偶。這驗證了本研究的方法在溫度傳感應用中的可靠性和有效性。這項工作通過受控摻雜和圖案化技術為高性能石墨烯基電子器件鋪平了道路。這些發現為石墨烯在各個領域的實際應用提供了寶貴的見解。
圖1. （a） 石墨烯在銅襯底上的橫截面TEM圖像。（b） 石墨烯在PET基板上的照片，尺寸為A4。（c） 使用PBG和UV照射將石墨烯從p型摻雜轉換為n型摻雜的實驗過程的示意圖。通過層壓將PBG涂覆在石墨烯基板上，并且從基板側施加UV照射。（d） 顯示石墨烯的光誘導電子摻雜的方案（表示為G）。在紫外線照射過程中，PBG發生脫羧反應，釋放出堿TBD。此外，TBD將電子轉移到石墨烯晶格。
圖2. （a） 石墨烯PBG膜電導隨紫外線照射時間的變化。圖顯示了紫外線照射的起點。（b） 初始石墨烯膜（開放圓）和PBG-UV處理后（閉合圓）的塞貝克系數測量結果的比較。（c） 在6 K的溫差下原位測量石墨烯PBG膜中的電動勢。圖顯示了紫外線照射的起始點。
圖3. （a） 片電阻（RS）、（b）霍爾系數（RH）、（c）載流子密度（n）和（d）原始石墨烯、PBG涂覆的石墨烯、100 mJ cm
–2的紫外線照射的PBG涂覆石墨烯、390 mJ cm
-2的紫外線輻照的PBG涂層石墨烯以及兩個月后的同一樣品的霍爾遷移率（μ）值。
圖4. 石英襯底（灰色線）、原始石墨烯（黑色線）和紫外線照射的PBG涂層石墨烯（粉紅色線）的拉曼光譜。對于UV照射的PBG涂覆的石墨烯，使用甲醇去除PBG層以促進激光聚焦在石墨烯表面上。
圖5. （a） 制作熱電偶陣列的實驗過程示意圖。PET上的石墨烯被成形為∧形，在頂部形成一個結。石墨烯∧-結構的一半涂有PBG，然后使用掩模從PET側進行紫外線照射。小型加熱器用于選擇性地加熱一個結（A、B或C）或所有結。（b–e）分別顯示熱側和冷側之間的溫差以及A、b、C和所有接頭上加熱器的相應測量電壓。
相關研究成果由日本納米材料研究所Kazuhiro Kirihara和筑波大學Qingshuo Wei等人2023年發表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c12419)上。原文：Transparent Patternable Large-Area Graphene p–n Junctions by Photoinduced Electron Doping Transistor
轉自《石墨烯研究》公眾號
