本研究提出了一种在石墨烯中实现n型掺杂的新方法，并通过使用光碱基发生器（PBG）的光诱导电子掺杂方法创建石墨烯p–n结。PBG的独特性质使我们能够通过光激活在空间和时间上控制掺杂过程。石墨烯膜上特定区域的选择性照射能够将其掺杂从p-型切换到n-型，电动势以及塞贝克和霍尔系数的变化证实了这一点。我们使用霍尔效应测量证明了超过1000 cm² V^-1s^-1的稳定（超过2个月）高电子迁移率。石墨烯中掺杂的精确控制和p–n结的形成为各种电子、光电和热电应用提供了令人兴奋的可能性。此外，我们制造了高电动势约为ca.80μV/K的透明石墨烯热电偶。这验证了本研究的方法在温度传感应用中的可靠性和有效性。这项工作通过受控掺杂和图案化技术为高性能石墨烯基电子器件铺平了道路。这些发现为石墨烯在各个领域的实际应用提供了宝贵的见解。
 
图1. （a） 石墨烯在铜衬底上的横截面TEM图像。（b） 石墨烯在PET基板上的照片，尺寸为A4。（c） 使用PBG和UV照射将石墨烯从p型掺杂转换为n型掺杂的实验过程的示意图。通过层压将PBG涂覆在石墨烯基板上，并且从基板侧施加UV照射。（d） 显示石墨烯的光诱导电子掺杂的方案（表示为G）。在紫外线照射过程中，PBG发生脱羧反应，释放出碱TBD。此外，TBD将电子转移到石墨烯晶格。

 
图2. （a） 石墨烯PBG膜电导随紫外线照射时间的变化。图显示了紫外线照射的起点。（b） 初始石墨烯膜（开放圆）和PBG-UV处理后（闭合圆）的塞贝克系数测量结果的比较。（c） 在6 K的温差下原位测量石墨烯PBG膜中的电动势。图显示了紫外线照射的起始点。

 
图3. （a） 片电阻（RS）、（b）霍尔系数（RH）、（c）载流子密度（n）和（d）原始石墨烯、PBG涂覆的石墨烯、100 mJ cm^–2的紫外线照射的PBG涂覆石墨烯、390 mJ cm^-2的紫外线辐照的PBG涂层石墨烯以及两个月后的同一样品的霍尔迁移率（μ）值。
 
图4. 石英衬底（灰色线）、原始石墨烯（黑色线）和紫外线照射的PBG涂层石墨烯（粉红色线）的拉曼光谱。对于UV照射的PBG涂覆的石墨烯，使用甲醇去除PBG层以促进激光聚焦在石墨烯表面上。
 
图5. （a） 制作热电偶阵列的实验过程示意图。PET上的石墨烯被成形为∧形，在顶部形成一个结。石墨烯∧-结构的一半涂有PBG，然后使用掩模从PET侧进行紫外线照射。小型加热器用于选择性地加热一个结（A、B或C）或所有结。（b–e）分别显示热侧和冷侧之间的温差以及A、b、C和所有接头上加热器的相应测量电压。
 
       相关研究成果由日本纳米材料研究所Kazuhiro Kirihara和筑波大学Qingshuo Wei等人2023年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c12419)上。原文：Transparent Patternable Large-Area Graphene p–n Junctions by Photoinduced Electron Doping Transistor

转自《石墨烯研究》公众号