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再度发现神奇材料优点,未处理石墨烯有助光捕获设备提升电流

2024-11-01 208

石墨烯是目前备受关注的奈米材料,外观基本上呈现像是蜂巢的六角形状,虽然从发现至今不到 20 年,但由于材料优点多多,不仅又薄又坚硬,也具有电导性高、电阻小等优点,而近期美国科学家又发现该材料全新优势,指出未处理的(pristine)石墨烯存有高效电荷与高能量流特性,可助光捕获设备一臂之力,大幅提升光感电流跟光电流。

石墨烯理论上可吸收任何频率的光,一直以来都是红外线或是光检验设备的理想材料,可用于生物感测、热成像摄影机或是太阳能电池等应用。

而在传统太阳能采集(solar energy harvesting)设备中,通常只有在两种材料中间形成接面时才会产生光电流,就好比太阳能电池中的 PN 接面,当半导体吸收阳光时,PN 接面会产生电子电洞对,之后受到刺激的电子和失去电子的电洞会朝相反方向移动,进而产生电流与电压。

只不过这是“传统”设备,石墨烯则是众多科学家公认的神奇材料,总有不一样的地方,UCR 物理学副教授 Nathaniel Gabor 表示,在石墨烯领域中,所有东西无时无刻都在变化。团队发现在没有过多电荷的情况下,未处理过的石墨烯也会产生光电流,石墨烯不需要像 PN 接面一样需要特殊的接点,只要将石墨烯切片、或是把石墨烯原本的梯形线性触点变成矩形或是锥形等奇形怪状,就可以进一步控制光电流。

UCR 表示,未处理过、无杂质的石墨烯完全是电中性的,当石墨烯连接到其他设备时,会向附近的金属施加电压来引入电荷,之后就可以运用电压调度正负电荷,让石墨烯片一直处于电中性状态。

为测试未处理过的石墨烯性能,研究员也将无杂质的石墨烯制成各种几何形状,将石墨烯带(narrow ribbon)与交叉点连接到矩形区域后,科学家可在边界检测出较高的光电流与光感电流,电流产生速度也相当快。

团队制造出来的光捕获装置厚度跟原子差不多,虽然目前还没有在新石墨烯设备实际测试光电流,但若未来实验有成,将有望嵌入窗户或是制成半透明设备,也能与其他太阳能收集设备合作,吸收不同波长的光,科学家甚至能透过不同石墨烯形状来让设备发出不同的讯号。

得益于石墨烯独特的电子结构,不仅能有效将光转换成电,更可让电在电荷较少的材料中快速移动,而未来科学家也将会持续探索神奇材料石墨烯,说不定能再度找出前所未有的优点。目前研究已发表在《Nature Nanotechnology》。

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(本文由 EnergyTrend 授权转载;首图来源:UCR)

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