石墨烯PN结的调制掺杂生长与光电转换器件研究取得进展

石墨烯因独特的二维层状原子晶体结构和狄拉克锥形电子能带结构而具有新奇的电学、光学和光电子学性质。PN结则是双极型晶体管和场效应晶体管的核心结构，更是现代电子技术的基础。石墨烯中的PN结将具有电子负折射率效应和分数量子霍尔效应，此外，其特有的“光热电”效应还可实现基于“热载流子”原理的高效光电能量转换。高质量石墨烯PN结光电器件以其特殊的工作机制，有可能打破传统光电技术中的诸多限制条件，为光电器件带来更大响应带宽、更快转换速度及更低检测阈值，促进新一代光电子技术的发展，在太阳能电池、夜视系统、天文望远镜及半导体传感器等领域均有潜在的应用价值。然而，为了实现这一目标，必须在保证石墨烯质量的前提下实现高可控性和均一性的稳定掺杂，这对石墨烯的可控制备提出了极大的挑战。

北京大学化学与分子工程学院刘忠范-彭海琳课题组根据材料生长中调制掺杂的原理，提出了具有高迁移率、掺杂区域可控的石墨烯(亦即“马赛克”石墨烯)的调制掺杂生长方法，成功攻克了这一难题，实现了“马赛克”石墨烯这种世上最薄的PN结材料的规模制备。研究表明，调制掺杂生长的石墨烯PN结具有很高的载流子迁移率。在此基础上，该课题组又成功研制了基于“光热电”机制的高性能光电转换器件，为石墨烯光电转换的规模应用奠定了基础。该工作是石墨烯的化学气相沉积生长领域的一项重要突破，对基于石墨烯的新型光电器件、以及燃料电池、超级电容器和锂离子电池的新型碳基电极材料的研制也有积极意义。部分工作已发表在《自然》子刊《自然—通讯》，并已申请了发明专利。