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石墨烯+聚合物 电子迁移率更高

石墨烯+聚合物 电子迁移率更高

石墨烯(graphene)被很多人认为是矽材料的后继者,因为其电子迁移率可达到矽的十倍以上,并解决了矽材料在制程微缩方面的许多问题;不过石墨烯缺乏制作电晶体所需的能隙(bandgap),也延迟了相关技术的发展。现在有研究人员提出以导电聚合物涂布石墨烯的方式,号称能制造出价格比采用矽材料廉价许多的有机电子元件。

  瑞典于默奥大学(Umea University)的研究人员正与美国史丹佛大学(Stanford University)以及后者旗下的同步源实验室(SSRL,原名为SLAC-史丹佛线性加速中心)合作,以新开发的石墨烯/聚合物混合材料打造原型,并有了显着成果;研究人员不但大幅加速聚合物使之成为高迁移率半导体,该混合材料具备的高弹性,似乎能同时应用在平面电子元件以及垂直导向的LED与太阳能电池等元件。

  上述跨国研究团队主持人、于默奥大学教授David Barbero表示,他们所开发的聚合物薄膜本身是软性的,石墨烯层也是软性的,而实验所采用的玻璃与矽基板则是坚硬的,因此整体堆叠也是坚硬的;但是该石墨烯/聚合物薄膜也能应用在软性基板上,让整体堆叠也成为软性,支援各种可挠性的应用。目前他的团队正在史丹佛的SSRL进行实验。

  要在整个晶圆片上沉积石墨烯并不容易,Barbero的团队发现了一种方法,能轻易地在金属上生长石墨烯层,然后将之转移到几乎任何一种基板上,包括实验所采用的矽与玻璃,以及其他软性聚合物基板。

  Barbero表示,研究团队利用化学气相沉积(CVD)技术与垂直,将大面积的单层石墨烯与铜箔合成;接着以旋转涂布方式在该石墨烯层上添加聚合物层(聚甲基丙烯酸甲酯,poly-methyl meth-acrylate,简称PMMA),而铜箔部分则以过硫酸铵(ammonium persulfate)蚀刻、并以湿式清洗去除残留。

  最后该石墨烯层漂浮在去离子水上,并转移到矽或玻璃基板进行干燥,将PMMA分解之后就会剩余纯净的石墨烯层;Barbero指出:“下一步是在石墨烯上沉积半导体聚合物,这是利用稀释过的溶液进行旋转涂布直到干燥,然后就会产生厚度适中且均匀的薄膜。”

  在描绘新材料特性时,研究人员的大发现是该混合材料的电子迁移率反而会因为沉积厚度稍微较高的半导体聚合物而提升,这与其他薄膜可产生的作用正好相反;也就是说,若聚合物半导体的沉积厚度达到约50奈米,其电子迁移率的提升倍数会比沉积厚度仅10奈米的相同聚合物高出五十倍。研究人员推测,这是因为厚度较高的薄膜比较厚度低的薄膜,能提供随机定向晶体之间更多的路径(不同于单晶薄膜的晶体是并排的)。

  除了长出性能更佳的石墨烯,研究人员另一个发现是,该材料与表面垂直的轴心之传导性也同样好,使得该透明材料能成为例如廉价太阳能电池与LED等光电元件的优良候选材料。Barbero表示:“实验结果显示该种材料有潜力做为光电应用,而且利用石墨烯层确实很有机会打造出效率更高,且重量更轻、超薄、软性的太阳能电池。”

  有了初步的发现,研究人员正着手进行在石墨烯层上添加不同半导体聚合物的实验,目标是让新材料的性能超越标准矽晶片,并让所有种类的塑胶光电元件性能得到进一步的提升。

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