石墨烯在半导体光电器件中的应用_庞渊源

第 ２６ 卷 第 ３ 期 ２０１１ 年 ６ 月
液 晶 与 显 示
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｎｄ Ｄｉｓｐｌａｙｓ
文 章 编 号 ：１００７－２７８０（２０１１）０３－０２９６－０５
Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．，２０１１
石墨烯在半导体光电器件中的应用
２ ９８
液 晶 与 显 示
第 ２６ 卷
升。利用类 似 的 特 性，斯 坦 福 大 学、南 开 大 学 合
(a)
作 用 ［１４］ 溶液 方 法 将 石 墨 烯 制 作 成 有 机 发 光 器 件
的电极，获得 Ａｌｑ３ 的 发 光。 此 外，国 外 一 些 研 究 组 还 ［１５－１６］ 制 备 了 电 化 学 发 光 器 件，可 望 发 展 为 低
基于这些优良 的 特 性，人 们 已 利 用 石 墨 烯 本 身制备了超级电容器［８］、超快晶体管［９］、超 快 光 子 探测 器［１０］、超 快 锁 模 激 光 器 等 。 ［１１］ 这 方 面 工 作 已有不少报道与综述［３－６］，本文不再赘述。 这 里 重
点介绍石墨烯与其他半导体材料复合以后产生的 新的功能及相应器件的研究进展。 ２．２ 石 墨 烯 基 发 光 二 极 管
发光二极管是 半 导 体 器 件 中 的 重 要 成 员，它 们 在 照 明 、显 示 、通 信 等 领 域 发 挥 着 重 要 作 用 。 目 前，ＧａＮ 在 这 一 领 域 占 据 着 主 导 地 位。 然 而， ＧａＮ 材料的生 长 通 常 需 要 在 与 之 晶 格 匹 配 的 蓝 宝石衬底上在 １ ０００ ℃ 以 上 的 高 温 下 生 长，而 进 一步发展柔 性 器 件 尚 需 通 过 复 杂 的 工 艺 将 ＧａＮ 从外延衬 底 上 剥 离。 这 些 不 足 大 大 限 制 了 ＧａＮ 器件的发展。而石墨烯这种可从层状结构中简单 剥离的材 料 则 为 解 决 这 一 问 题 提 供 了 很 大 的 方 便。韩国首尔 国 立 大 学 的 研 究 人 员 在 ［１２］ 多 层 石 墨烯上密排的 ＺｎＯ 纳 米 棒 为 过 渡 层 生 长 了 高 质 量的 ＧａＮ 外延薄 膜，制 备 获 得 了 发 光 二 管，并 进 一 步 实 现 了 将 这 些 功 能 器 件 向 玻 璃 、金 属 、塑 料 等 不同 衬 底 的 转 移，如 图 ２ 所 示。 这 种 器 件 既 展 示 了 ＧａＮ 半导体的发光特性，同时利用了石墨烯的 电学与机械特性，为 后 续 电 子 学 与 光 电 学 器 件 的 集成设计提供了灵活的思路。
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒａｐｈｅｎｅ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ
ＰＡＮＧ Ｙｕａｎ－ｙｕａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１８９，Ｃｈｉｎａ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｙｐａｎｇｊｉｎｌｉｎｇ＠１２６．ｃｏｍ）
驱动电压、低成本、高效率的 ＬＥＤ。
EL intensity / a. u. I/A
In(J) dV/d(InI)
(a)
+b)
0.8
0.6
Bphen/Cs2CO3 Bphen CBP/In(ppy)2(acac) Multi-layered grapNVheP2OnBe5 Glass Al
２ 石墨烯的基本特性与应用
２．１ 石 墨 烯 的 基 本 特 性 石墨烯是传统石墨材料中层状结构中的一层
或几层，它是由碳 原 子 组 成 的 具 有 六 边 形 点 阵 的 规 则 网 络 结 构 ，如 图 １（ａ）所 示 。 这 种 规 则 的 二 维
收 稿 日 期 ：２０１１－０４－０６；修 订 日 期 ：２０１０－０４－１４ 作 者 简 介 ：庞 渊 源 （１９９０－ ），女 ，江 苏 南 京 人 ，大 学 本 科 ，现 主 要 从 事 信 息 工 程 专 业 的 研 究 与 学 习 。
第３期
庞 渊 源 ：石 墨 烯 在 半 导 体 光 电 器 件 中 的 应 用
２ ９７
0.142 nm
(a)
(b)
(c)
图１ 石墨烯的二维原子 结 构 （ａ）、晶 格 单 元 （ｂ）、及 ＳＥＭ 照 片 （ｃ）．
Ｆｉｇ．１ （ａ）２－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｔｏｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ，（ｂ） ｌａｔｔｉｃｅ ｕｎｉｔ，ａｎｄ （ｃ）ＳＥＭ ｉｍａｇｅ．
庞渊源
（东南大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 ２１１１８９，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｙｐａｎｇｊｉｎｌｉｎｇ＠１２６．ｃｏｍ）
摘 要：基于石墨烯透明、软性、能带结构连续可调、电子 迁 移 率 高 等 一 系 列 优 点，着 眼 于 石 墨 烯 与 其 他 半 导 体光电功能材料的复合，对石墨烯在 有 机 和 无 机 发 光 二 极 管、太 阳 能 电 池、纳 米 发 电 机 等 方 面 的 应 用 和 研 究 进展进行了介绍。 关 键 词 ：石 墨 烯 ；发 光 二 极 管 ；太 阳 能 电 池 ；纳 米 发 电 机 中 图 分 类 号 ：ＴＮ３０４．１ 文 献 标 识 码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．３７８８／ＹＪＹＸＳ２０１１２６０３．０２９６
基 于 石 墨 烯 透 明 、导 电 的 特 性 ，北 京 大 学 的 研 究人员 将 ［１３］ 其应用于有机 电 致 发 光 器 件，制 备 了 如图３所示的 Ａｌ／ｇｌａｓｓ／ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｅｄ ｇｒａｐｈｅｍｅ／ Ｖ２Ｏ５／ＮＰＢ／ＣＢＰ∶ （ｐｐｙ）２Ｉｒ（ａｃａｃ）／Ｂｐｈｅｎ／Ｂｐｈｅｎ∶ Ｃｓ２ＣＯ３／Ｓｍ／Ａｕ多层结构 的 发 光 二 极 管，获 得 了 较高的发光 效 应。 这 一 研 究 结 果 表 明，石 墨 烯 可 作为良好的有机 发 光 的 阳 极 材 料，器 件 的 性 能 可 望通过优化石墨 烯 的 导 电 性、透 光 性 等 进 一 步 提
(a)
LED fabricaiton
Mechanical lift-off Transfer of LED
Graphene layers Substrate
(b) As febncated
On glass
Mechanical force
On metal
On plastic
0.3 mm
图２ （ａ）石 墨 烯 衬 底 上 薄 膜 ＬＥＤ 制 备 与 转 移 示 意 图， （ｂ）ＬＥＤ 在原衬 底 和 转 移 到 玻 璃、金 属 和 塑 料 衬 底 上的发光照片．
10 V 8V 6V
0.4
0.2
0
400
500
600
700
姿 / nm
图３ 以石墨烯为 阳 极 的 有 机 发 光 二 极 管．（ａ）结 构 示 意 图 ，（ｂ）电 致 发 光 光 谱 ．
Ｆｉｇ．３ （ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＯＬＥＤ ｗｉｔｈ ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｓ ａｎｏｄｅ，ａｎｄ （ｂ）ｉｔｓ ＥＬ ｓｐｅｃｔｒａ．
Ｆｉｇ．２ （ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ＬＥＤ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｒｏｍ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｔｏ ｏｔｈｅｒｓ，（ｂ） ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＬＥＤ ｏｎ ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ｇｌａｓｓ，ｍｅｔａｌ ａｎｄ ｐｌａｓｔｉｃ．
１ 引 言
硅基集成电路芯片技术正在逼近摩尔定律的 物理极限，于是半 导 体 纳 米 材 料 与 技 术 成 了 纳 米 科 技 中 研 究 最 为 活 跃 、应 用 最 为 广 泛 的 前 沿 领 域 。 二维纳米材料石墨烯的发现为新型纳米器件的设 计与制备注入了新活力。科学家预言石墨烯可望 替代硅材料成为后摩尔时代电子器件发展的重要 角色［１］。２０１０ 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 更 是 将 石 墨 烯 推成了纳米 材 料 新 贵 。 ［２］ 近 年 来，与 石 墨 烯 相 关 的 材 料 制 备 、表 征 、功 能 器 件 设 计 等 一 系 列 理 论 与
透光性和颜 色：石 墨 烯 高 度 透 明。 在 可 见 光 区 的 透 过 率 为 ９７．７％ ，且 与 波 长 无 关 。
强度：石墨烯的抗 拉 强 度 极 限 为 ４２ Ｎ／ｍ，比 同样厚 度 （～０．３３５ｎｍ）的 钢 的 强 度 高 １００ 倍。 面积为１ｍ２ 的石 墨 烯 片 可 以 作 为 一 个 透 明 的 吊 床 承 受 ４ｋｇ 猫 的 质 量 ，而 吊 床 本 身 的 重 量 仅 和 猫 的一根胡须相当。
电导率：石墨烯的载 流 子 迁 移 率 μ 高 达 ２× １０５ ｃｍ２ · Ｖ－１ ·ｓ－１，如 果 载 流 子 密 度 ｎ＝１０１２ ｃｍ－２，可 算 出 此 二 维 材 料 的 方 块 电 阻 约 为 ３１ Ω／ □。这 表 明 面 积 为 １ ｍ２ 的 石 墨 烯 电 阻 仅 为 ３１Ω。
热导 率：石 墨 烯 的 热 导 率 实 验 值 约 为 ５ ０００ Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１，是 室 温 下 铜 的 热 导 率 （４０１ Ｗ · ｍ－１·Ｋ－１）的 １０ 倍 多 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｒａｐｈｅｎｅ，ａｓ ａ ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌ，ｈａｓ ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ ｏｎ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｎｏｖｅｌ ｎａｎｏｄｅｖｉｃｅｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｆｕｎｃ－ ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｅｓ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｗａｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒａｐｈｅｎｅｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｔｕｒｎａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄｇａｐ，ａｎｄ ｈｉｇｈ ｅｌｅｃ－ ｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｉｎ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ，ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ，ａｎｄ ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ．Ｉｔ ｉｓ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｔｈａｔ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｗｏｕｌｄ ｐｌａｙ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ｓｉｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｓｔ－ Ｍｏｌｅ ｅｒａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒａｐｈｅｎｅ；ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ；ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ；ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ