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近日，來(lái)自美國(guó)堪薩斯大學(xué)（KU）研究人員將石墨烯層與另外兩個(gè)原子層（二硒化鉬和二硫化鎢）連接起來(lái)，從而將石墨烯中激發(fā)電子的壽命延長(zhǎng)了數(shù)百倍。這項(xiàng)研究可以高效地加速超薄和柔性太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)。

石墨烯是十年來(lái)最熱門(mén)的材料。僅在2017年，全球就發(fā)表了超過(guò)30,000份關(guān)于石墨烯的研究論文。

近日，來(lái)自美國(guó)堪薩斯大學(xué)（KU）物理學(xué)和天文學(xué)系的兩位研究人員，Hui Zhao教授和研究生Samuel Lane，將石墨烯層與另外兩個(gè)原子層（二硒化鉬和二硫化鎢）連接起來(lái)，從而將石墨烯中激發(fā)電子的壽命延長(zhǎng)了數(shù)百倍。該發(fā)現(xiàn)將發(fā)布在Nano Futures上，這是一份新發(fā)行的、高度選擇性的期刊。

KU的這項(xiàng)研究可以高效地加速超薄和柔性太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)。

對(duì)于電子和光電子應(yīng)用，石墨烯具有優(yōu)良的電荷傳輸性能。根據(jù)相關(guān)研究，電子在石墨烯中的移動(dòng)速度是光速的1/30，比其他材料要快得多。這可能意味著石墨烯可以用于太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能從陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能。但是石墨烯有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，阻礙了這種應(yīng)用，就是它激發(fā)電子的壽命超短(即電子保持移動(dòng)的時(shí)間)，只有大約1皮秒(百萬(wàn)分之一秒，或10-12秒)。

KU的研究員表示，以石墨烯為工作材料實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池高效率的最大挑戰(zhàn)之一就是釋放出的電子：“電子的數(shù)量，取決于他們?cè)诒还饩€解放后能夠保持移動(dòng)的平均時(shí)間。在石墨烯中，電子僅在一皮秒內(nèi)保持自由。這對(duì)于積累大量移動(dòng)電子而言太短。這是石墨烯的固有特性，并且已經(jīng)成為將該材料應(yīng)用于光伏或光敏器件的一個(gè)很大的限制因素。換句話說(shuō)，盡管石墨烯中的電子可以通過(guò)光激發(fā)而變得可移動(dòng)并且可以快速移動(dòng)，但它們只能保持移動(dòng)太短的時(shí)間來(lái)為電力做出貢獻(xiàn)?！?/p>

新論文報(bào)告說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)使用所謂的范德瓦爾斯材料來(lái)解決。他們的方法原則很容易理解。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們?cè)贙U的超快激光實(shí)驗(yàn)室工作，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種三層材料，將單層MoSe2，WS2和石墨烯疊放在一起。

研究人員解釋說(shuō)：“我們可以把MoSe2和石墨烯層想象成兩個(gè)滿(mǎn)是學(xué)生坐在一起的教室，而中間的WS2層則作為分隔兩個(gè)房間的走廊。當(dāng)光線照射到樣品上時(shí)，MoSe2中的一些電子被釋放出來(lái)。他們被允許穿過(guò)WS2層走廊進(jìn)入另一個(gè)房間，這是石墨烯。然而，走廊經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，以便電子必須在MoSe2中離開(kāi)座位。一旦進(jìn)入石墨烯，他們別無(wú)選擇，只能保持移動(dòng)，從而有助于電流，因?yàn)樗麄兊淖灰巡辉倏捎??！?/p>

為了證明這個(gè)想法是有效的，KU研究人員使用超短激光脈沖（0.1皮秒）來(lái)釋放MoSe2中的一些電子。通過(guò)使用另一個(gè)超短激光脈沖，他們能夠在這些電子移動(dòng)到石墨烯時(shí)監(jiān)測(cè)這些電子。他們發(fā)現(xiàn)這些電子平均在約0.5皮秒的“走廊”中移動(dòng)。然后它們保持移動(dòng)約400皮秒，比單層石墨烯提高了400倍，這也是他們?cè)谕谎芯恐袦y(cè)量的。

研究人員還確認(rèn)，MoSe2中留下的“座位”在相同的時(shí)間內(nèi)也空著。在原有狀態(tài)下，這些座位應(yīng)永遠(yuǎn)保持空虛。然而，在量子力學(xué)中，電子“隧道”回到這些座位。研究人員提出這個(gè)過(guò)程決定了移動(dòng)電子的壽命。因此，通過(guò)選擇不同的“走廊”層，可以針對(duì)各種應(yīng)用控制此時(shí)間。

該研究由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助。

參考來(lái)源：美國(guó)堪薩斯大學(xué)（信息來(lái)源：智識(shí)咨詢(xún)）