基于弱耦合增强的石墨烯结构、石墨烯膜及光电器件制造技术

本发明专利技术提供一种基于弱耦合增强的石墨烯结构，这种石墨烯结构通过弱耦合作用是的本体材料具有线性能带特征，促进热电子的跃迁，增加联合态密度；AB结构的存在和厚度的增加配合延长热电子弛豫时间，从而提升高能态热电子数量，同时降低了膜制备工艺的要求和成本，增加了膜制备的成功率。另外，基于石墨烯/半导体肖特基结，可以探测低能量的光，将石墨烯/硅光电器件的探测范围从可见和近红外拓展到中远红外。本发明专利技术还提供一种弱耦合增强的石墨烯光电膜，通过弱耦合实现多层石墨烯的光吸收的叠加，提高石墨烯膜的光吸收率，从而在低能量波段，热电子仍然可以积累。热电子仍然可以积累。

【技术实现步骤摘要】
基于弱耦合增强的石墨烯结构、石墨烯膜及光电器件


[0001]本专利技术涉及石墨烯功能材料，尤其涉及一种基于弱耦合增强的石墨烯结构、石墨烯膜和器件及其材料制备方法。

技术介绍

[0002]2010年，英国曼彻斯特大学的两位教授Andre Geim和Konstantin Novoselov因为首次成功分离出稳定的石墨烯获得诺贝尔物理学奖，掀起了全世界对石墨烯研究的热潮。石墨烯有优异的电学性能(室温下电子迁移率可达2
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105cm2/Vs)，突出的性能(5000W/(mK)，超常的比表面积(2630m2/g)，其杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)。石墨烯优异的导电导热性能完全超过金属，同时石墨烯具有耐高温耐腐蚀的优点，而其良好的机械性能和较低的密度更让其具备了在电热材料领域取代金属的潜力。
[0003]宏观组装氧化石墨烯或者石墨烯纳米片的石墨烯膜是纳米级石墨烯的主要应用形式，常用的制备方法是抽滤法、刮膜法、旋涂法、喷涂法和浸涂法等。通过进一步的高温处理，能够修补石墨烯的缺陷，能够有效的提高石墨烯膜的导电性和热导性，可以广泛应用于发声、声波探测、光电探测、智能手机、智能随身硬件、平板电脑、笔记本电脑等随身电子设备中去。
[0004]但是，因为单层石墨烯吸光度很低，不能吸收足够强度的光，在红外、太赫兹以及其他更低能量波段对电磁波没有任何的响应。为此，科研工作者在石墨烯器件改性方面做了大量的工作，以提高器件对光的吸收。另外通常认为，单层石墨烯不能进行有效的热电子积累，不能跨越石墨烯和半导体的势垒，因而在低能量波段，石墨烯并没有明显响应。
[0005]传统肖特基结为金属/半导体结构，但是金属材料本身光激发热电子寿命极低(0.1ps左右)，噪声大，因而不能在常温光电子器件领域得到应用。相比于金属材料，单层石墨烯热电子寿命提高了一个量级左右(1ps)，常温噪声得到了极大的抑制，然而石墨烯极好的透明度使得其不能进行有效的热电子积累，不能跨越石墨烯和半导体的势垒，因而在低能量波段，石墨烯并没有明显响应。另外单层石墨烯膜的转移困难，还不能完全去除金属以及聚合物的污染；有效热电子积累的石墨烯膜(AB结构堆积的多层石墨烯膜)已经被初步报道，但是其热电子积累效率很低，究其原因在于AB结构的石墨烯膜电子结构偏重于石墨结构，其电子态密度相对较低，高能态轨道占据能力相对较弱，因此探测能力相对较低。
[0006]另外，石墨烯的缺陷结构往往会增加石墨烯热电子
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声子散射，因此为了提高石墨烯热电子弛豫时间，必须高温处理尽可能的修复缺陷结构，增加了光电子探测器件的制备难度。但是，缺陷态的存在增加了器件温度，在损伤响应速度的同时，有助于热电子跃迁，提高响应度。

技术实现思路

[0007]作为本专利技术的一方面，本专利技术提供一种基于弱耦合增强的石墨烯结构，这种石墨烯结构通过非AB结构的弱耦合作用增加电子联合态密度，促进光吸收；同时引入非AB结构
的石墨烯线性能带，促进热电子跃迁，提升高能态热电子占据概率。
[0008]作为本专利技术的另一方面，本专利技术提供一种基于弱耦合增强的石墨烯膜，其通过弱耦合作用增加电子联合态密度，增加光吸收，促进热电子跃迁。这种结构也降低了膜制备工艺的要求和成本，增加了膜制备的成功率。
[0009]作为本专利技术的另一方面，本专利技术提供一种基于弱耦合增强的石墨烯光电器件，比如基于石墨烯/硅肖特基结，由于石墨烯膜具有零带隙，可以实现长波长低能量的光的吸收，从而一方面可提高石墨烯/硅光电器件的响应度，另一方面探测范围从可见和近红外拓展到中远红外波段，实现宽光谱的探测。这一思路也同样可以拓展到其他石墨烯/半导体肖特基型光电探测器中(比如石墨烯/锗探测器等)。该石墨烯膜也可以引入其他的光电探测器体系(比如光电导型探测器，PIN型探测器，雪崩型探测器)，增强其红外波段的吸收，实现宽光谱探测和红外探测。光电探测器目前在军工、国防、医疗、生物、和消费电子等诸多领域都有广泛的应用。比如在军事上需要用到红外光电探测器进行侦察和遥感；医疗检测和物质分析所用的各个光谱分析仪器中也需要高精度的光电探测器对吸收、透射、发射谱等进行采集和提取；在目前正发展的智能家居领域，无线红外探测器在实现设备的连接和交互中也扮演着重要的作用。在目前热门的无人驾驶领域的核心技术激光雷达中，高速高灵敏度的光电探测器也是其核心部件之一。就消费电子而言，在成像中，由于基于这一石墨烯膜的光电探测器可以实现宽光谱的探测，因此有望结合多光谱融合技术将可见的图像和红外的图像进行融合处理，实现图像的细节的增强，清晰度的提高。在医疗领域，光电探测也有广泛的应用，比如，血氧检测就是通过可穿戴设备上的红外探测器提取血红蛋白对红外光的反射，在未来的可穿戴式乃至可植入式的生物传感领域，微型光电探测也将扮演重要作用。
[0010]本专利技术的一个目的在于提供一种基于弱耦合增强的石墨烯结构，其由多个石墨烯单元上下堆叠而成；所述石墨烯单元为单层石墨烯片，或由两层以上的石墨烯片堆叠而成，且所述堆叠方式为AB堆叠；上下两个相邻的石墨烯单元为非AB堆叠结构区域，使得两个石墨烯单元之间弱耦合。在AB堆叠区域，电子云融合成一体，石墨烯膜电子结构偏重于石墨结构，这种结构下石墨烯电子声子散射减弱，热电子弛豫时间延长；而在非AB堆叠结构区域，电子云层层分离，石墨烯膜电子结构更倾向于石墨烯结构，从而电子联合态密度增加、光吸收增加、热电子跃迁变得容易。
[0011]本专利技术的另一个目的在于提供一种基于弱耦合增强的石墨烯结构，其由多个石墨烯单元上下堆叠而成；所述石墨烯单元为单层石墨烯片，或由2～9层的石墨烯片堆叠而成，且所述堆叠方式为AB堆叠；上下两个相邻的石墨烯单元之间弱耦合，联合态密度较高，光吸收增强。9层以内的石墨烯片构成的结构单元所造成的片层搭接空隙(垂直方向)可以控制在3nm左右，具有较高联合态密度的热电子可以隧穿而过不受影响。
[0012]本专利技术的另一个目的在于提供一种基于弱耦合增强的石墨烯结构，其由多个石墨烯单元上下堆叠而成；所述石墨烯单元为单层石墨烯片；上下两个相邻的石墨烯单元之间弱耦合。单层石墨烯电子结构可以有效辅助增加联合态密度，促进光吸收，促进热电子跃迁，增加高能态热电子占据概率。
[0013]作为本专利技术的另一个方面，本专利技术提供一种弱耦合增强的石墨烯光电膜，通过弱耦合实现多层石墨烯的光吸收的叠加，提高石墨烯膜的光吸收率和热电子寿命，从而在低
能量波段，热电子仍然可以积累。
[0014]本专利技术的另一个目的在于提供一种弱耦合增强的石墨烯光电膜，其中包含有石墨烯结构。石墨烯结构由多个石墨烯单元上下堆叠而成；所述石墨烯单元为单层石墨烯片，或由两层以上的石墨烯片堆叠而成，且所述堆叠方式为AB堆叠；上下两个相邻的石墨烯单元之间弱耦合。所述石墨烯结构中的石墨烯单元的堆叠方向沿所述石墨烯膜厚度方向。光照射到石墨烯膜的表面，光电子从表面经过AB堆叠区域和非AB堆叠区域，其中AB堆叠区域，电子云融合成一体，石墨烯膜电子结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于弱耦合增强的石墨烯结构，其特征在于，由多个石墨烯单元上下堆叠而成；所述石墨烯单元为单层石墨烯片，或由两层以上的石墨烯片以AB堆叠的方式堆叠而成；上下两个相邻的石墨烯单元之间弱耦合，促进热电子跃迁、增加电子联合态密度，从而增加高能态热电子的数量。2.根据权利要求1所述的石墨烯结构，其特征在于，单个石墨烯单元的石墨烯层数小于9层。3.根据权利要求1所述的石墨烯结构，其特征在于，单个石墨烯单元的石墨烯层数为1层。4.如权利要求1所述的石墨烯结构在增强热电子积累中的应用，其特征在于，所述应用为：通过所述的石墨烯AB堆叠结构增加热电子弛豫时间，弱耦合结构增加热电子跃迁概率，并最终促进高能态区域的热电子的生成和累积。5.弱耦合增强的石墨烯膜，包含权利要求1所述的基于弱耦合增强的石墨烯结构，所述石墨烯结构中的石墨烯单元的堆叠方向沿所述石墨烯膜厚度方向；所述石墨烯膜通过所述基于弱耦合增强的石墨烯结构增强高能态区域的热电子积累。6.根据权利要求5所述的石墨烯膜，其特征在于，所述石墨烯膜的I
D
/I
G
在0.05以下。7.根据权利要求5所述的石墨烯膜，其特征在于，所述石墨烯膜的非AB结构含量为5％以上。8.根据权利要求5所述的石墨烯膜，其特征在于，是通过将由溶液组装得到的氧化石墨烯膜，经过热处理修复缺陷后得到的。9.根据权利要求8所述的石墨烯膜，其特征在于，所述氧化石墨烯膜厚度为20
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120nm，通过溶液组装沉积在一孔隙率大于60％的刚性基底上，然后通过以下方法从所述刚性基底剥离：置于一具有HI蒸汽的还原室中进行化学还原至氧化石墨烯从基底自动剥离；还原过程中，至少在HI的浓度在0.3g/L以上，且水蒸气的浓度在0.07g/L以下的环境下还原10min以上。10.根据权利要求9所述的石墨烯膜，其特征在于，该方法还采用一与所述还原室相连通的蒸发室对氢碘酸进行蒸发，以向所述还原室输入HI蒸汽。11.根据权利要求10所述的石墨烯膜，其特征在于，所述还原室和蒸发室位于同一密闭腔体中，且所述蒸发室位于所述还原室下方，蒸发室位于温度为80
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120摄氏度的油浴或水浴中；所述还原室顶部具有冷凝区，冷凝区的温度为0～40℃。12.根据权利要求11所述的石墨烯膜，其特征在于，所述冷凝区设有吸水材料，所述吸水材料为：吸水滤纸、高吸水性树脂等多孔强亲吸水材料以及氯化钙、五氧化二磷等强吸水性化学品。13.根据权利要求11所述的石墨烯膜，其特征在于，所述还原室内设有耐HI载物架，用于装载所述基底。14.根据权利要求10所述的石墨烯膜，其特征在于，所述还原室和蒸发室分别位于一密闭腔体中；且两个密闭腔体通过一冷凝管连通；冷凝管所处温度为0～40℃；所述冷凝管对所述蒸发室蒸发的水蒸气进行冷凝，回流至所述蒸发室。15.根据权利要求14所述的石墨烯膜，其特征在于，所述蒸发室和还原室均位于温度为80
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120摄氏度的油浴或水浴中，且所述还原室所处温度低于所述蒸发室。
16.根据权利要求9所述的石墨烯膜，其特征在于，基底为阳极氧化铝、四氟乙烯滤膜、玻璃纤维滤膜。17.根据权利要求5所述的石墨烯膜，其特征在于，是通过将由CVD法生长的石墨烯薄膜层层堆叠后，经热处理形成致密...

【专利技术属性】
技术研发人员：高超，彭蠡，李泠菲，方文章，刘英军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：