研究人員設計一種三層材料增強石墨烯激發電子壽命

Kansas大學的研究人員將石墨烯層與與另外兩個原子層（二硒化鉬和二硫化鉬）連接起來，使石墨烯中激發電子的壽命延長了幾百倍。圖片來源：Matthew Bellus

2010年諾貝爾物理學獎頒給了石墨烯的發現者。石墨烯—單層碳原子—具有許多理想的應用特性。在大多研究人員眼中，石墨烯是十年來最熱門的材料。僅在2017年，全球就有30000多篇關於石墨烯的研究論文發表。

目前，Kansas大學物理與天文學系的兩位研究人員，Hui Zhao教授和研究生Samuel Lane將石墨烯層與與另外兩個原子層（二硒化鉬和二硫化鉬）連接起來，使石墨烯中激發電子的壽命延長了幾百倍。這一發現將發表在《Nano Futures》雜誌上，這是一個新發行的並且具有高淘汰率的期刊。

在Kansas大學進行的這項工作可以加速高效率超薄柔性太陽能電池的發展。

對於電子和光電應用，石墨烯具有優異的電荷傳輸特性。據研究者們說，電子在石墨烯中以光速的1/30的速度移動，比其他材料快得多。這可能暗示了石墨烯可以用於太陽能電池，它可以將能量從光能轉換為電能。但是石墨烯有一個主要的缺點阻礙了這種應用——它的超短壽命的激發電子（即，電子保持移動的時間）只有大約一皮秒（一百萬分之一的一百萬分之一秒，或者10-12秒）。

「這些被激發的電子就像學生在喝了能量飲料之後從座位上站起來，激活的學生就像被光激發的電子。」 Zhao說：「精力充沛的學生在課堂上自由活動——就像人流一樣。」

Kansas大學的研究人員說，以石墨烯為工作材料的太陽能電池實現高效率的最大挑戰之一是釋放電子，或者可以這樣說，站立的學生有強烈失去能量的傾向，變得不動，就像學生坐下來一樣。

「電子數量或者我們所舉例子中的學生，誰能為電流作出貢獻取決於他們在光被釋放後能否保持移動的平均時間。」Zhao說：「在石墨烯中，電子只能停留一皮秒。這對於積累大量的移動電子來說太短了。這是石墨烯的固有特性，是在光伏或光敏器件中應用這種材料的一個很大的限制因素。換句話說，雖然石墨烯中的電子可以通過光激發而移動，並且可以快速移動，但他們只停留在一個短的時間來貢獻電力。」

在他們的新論文中，Zhao和Lane指出這個問題可以通過使用所謂的范德瓦爾斯材料來解決。他們方法的原理很容易理解。

「我們只要把椅子從站立的學生那裡拿走，這樣他們就無處可坐了。」Zhao說：「這迫使電子保持比以前長几百倍的移動時間。」為了實現這一目標，在Ku超快激光實驗室，他們設計了一種三層材料，把單層的MeSe2、WS2和石墨烯放在彼此之上。

「我們可以把Mase2和石墨烯層看成是兩個坐滿學生的教室，而中間的WS2層充當分隔兩個房間的走廊。」Zhao說：「當光線撞擊樣品時，MeSe2中的一些電子被釋放。他們可以穿過WS2層走廊進入另一個房間——石墨烯層。然而，走廊是精心設計的，所以電子必須離開他們在Mase2層的座位。一旦進入石墨烯，他們別無選擇，只能保持移動，貢獻成了電流，因為他們的座位已經不再適合他們了。」

為了證明這個想法是有效的，Ku研究人員使用超短激光脈衝（0.1皮秒）來釋放MeSe2中的一些電子。通過使用另一個超短激光脈衝，當它們移動到石墨烯層時，它們能夠監測這些電子。他們發現這些電子通過「走廊」平均需要0.5皮秒。然後他們移動大約400皮秒——比單層石墨烯提高400倍，這也是他們在同一研究中測量的。

研究人員還證實，在Mase2留下的「座位」在相同的時間內保持空閑。在傳統領域中，這些座位應該永遠空著。然而，在量子力學中，電子「隧道」回到這些座位。研究人員提出的這一過程決定了移動電子的壽命。因此，通過選擇不同的「走廊」層，這個時間可以被控制用於各種應用。

原文來自phys，原文題目：Researchers improve conductive property of graphene, advancing promise of solar technology，由材料科技在線匯總整理。

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