石墨烯性质-表面等离子体

1 石墨烯电子能带结构所带来的性质

石墨烯是零带系半导体，其能带结构在K空间成对顶的双锥形，费米面在迪拉克点之上，石墨烯为n型，费米面在狄拉克点以下为p型。由于其能带结构的特殊性，在狄拉克点处的电子态密度很低，对于费米面在狄拉克点附近的高质量石墨烯，通过简单的掺杂或用栅压调控，就可以使其费米面有很大幅度的移动，从而很容易用人工的方法制作出石墨烯的p-n结结构。而该结构是太阳能电池材料所必需的条件。

2、石墨烯对红外光的高透过性

石墨烯对光的透过率可达到97.7%以上，使其成为太阳能电池电极材料的很好选择。现在太阳能电池的透过效率不好原因是太阳能电池上层电极对太阳光中的红外部分吸收十分严重，而红外部分又是太阳光能量的一个集中区，所以影响了下方的光伏材料获得的光的强度。而石墨烯对红外的透过性非常好，用石墨烯带作为太阳能电极材料，可大幅度提高转化效率。

3、石墨烯中的高载流子迁移率

石墨烯中的电子的迁移率大约是硅的100倍，而电导率是与迁移率和载流子浓度乘积成正比，而材料的透光性能又通常和载流子浓度成反比。一般材料如果对光的透过性很好，那么它的载流子浓度就很低，而通常迁移率也很低，从而导电率也很差，这也是目前为什么太阳能透明电极没有很好性能的原因。而石墨烯这种新材料，它的载流子迁移率如此之高，即使在载流子浓度很低时（透光性很好），也能保证两者乘积很客观，有很好的导电性。这也进一步解释了石墨烯适合用于太阳能电池电极的原因。

4、石墨烯中的光激发电子-空穴对的产生消失时间

石墨中的电子式狄拉克电子，速度接近光速三分之一，室温下传导电子比任何其他已知导体要快，所以被光激发出的电子-空穴对可以快速形成电流，同理在撤去光源后也可以迅速消失。基于石墨烯的光伏器件对光的响应目前在实验室中已达到THz，成为超快光电探测器的候选材料

5、石墨烯的热载流子效应

石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室温和普通光照射下，就可以发生热载流子效应，产生电流。当光照在石墨烯上时，可以产生两个具有不同电气特

性区域，进而出现温差，产生电流。石墨烯在激光照射加热不一致时，携带电流的电子被加热，而晶格中的碳原子核保持低温。正是由于石墨烯的光电反应现象更为丰富。

石墨烯再次给人们带来惊喜。美国麻省理工学院及哈佛大学的研究人员发现，石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室温和普通光照射下，就可以发生热载流子效应，产生电流。这一发现不仅为石墨烯再添新奇属性，更有希望使其在太阳能电池、夜视系统、天文望远镜及半导体传感器等应用领域发挥作用。该研究发表在近期出版的《科学》杂志上。

研究人员在实验室制造了复杂的石墨烯纳米P-N结，利用850纳米的激光照射石墨烯P-N结介面，并测量激光照射点产生的光电流。结果发现，随着激光强度的增加，特别是在低温的条件下，可取得最大为5 毫安/瓦（mA/W）的光电流，这一数值比以前的石墨光电器件高6倍。

热载流子效应并不新奇，但通常情况下，需要在接近绝对零度或在极强的激光照射下才会发生，但石墨烯却表现出在室温和普通光下就可以产生热载流子效应的性能，这让人们对石墨烯未来的应用产生了巨大的想像空间。

此前曾发现过石墨烯在光照下产生电流的现象，但研究人员错误地认为是光伏效应。而麻省理工学院的研究人员发现，当光照在石墨烯上时，可以产生两个具有不同电气特性的区域，进而出现温差，产生电流。石墨烯在激光照射加热不一致时，携带电流的电子被加热，而晶格中的碳原子核保持低温。正是由于石墨烯内部的温差，产生了电流。这种不同寻常的机制就称为热载流子效应。（所谓热载流子就是具有高能量的载流子，即其动能高于平均热运动能量。当载流子从外界获得了很大能量时，便可成为热载流子。由于热载流子所造成的一些影响，就称为热载流子效应。）

研究人员认为，石墨烯之所以会产生上述现象，是由于大多数材料的过热电子可将能量传递到周围晶格，而石墨烯则需要很高的能量才能振动其晶格的碳原子核，因此只有很少的电子能将热能转移到晶格。

研究人员表示，该研究成果是光电及能量采集方面十分重要的进展。由于这种现象十分新颖，还需要进一步深入的研究，才能清楚地了解其重要意义。但可以肯

定的是，这种特性将会有非常广泛的应用前景。首先，它有可能在利用太阳能方面产生重大的突破。典型的光伏材料仅对特定频率或颜色的光发生反应，而石墨烯对光发生反应的范围非常宽。研究结果还表明，石墨烯能十分有效地收集太阳能。因此太阳能电池的最大突破有可能会来自于石墨烯。

其次，由于石墨烯以不同的方式产生电流，因此可以利用石墨烯来制造超高速光子探测器。石墨烯对红外光的反应更有其独到之处，有望成为夜视系统及高级天文望远镜的重要组成部分。

此外，石墨烯也可应用于检测重要的生物分子。毒素、病菌或食品污染物等物质在光照射下，会发出红外光。此前所使用的半导体传感器，通常包含一些十分昂贵的稀有元素，而利用石墨烯生产传感器，成本将会大大降低。

1. 光捕获作用：对存在于均匀无耗的介质中的金属纳米颗粒，当光入射到颗

粒上时从颗粒散射的前向波和后向波几乎是对称的。但是当纳米颗粒被放

在两种不同介电材料的分界面时，入射的光将更多的被散射到介电常数比

较大的材料里。散射光在介质材料里将有一定的立体角分布并增加光在

介质中的传播路径，如图所示，这样使更多的光被限制在光伏器

件中。此外，如果光伏器件有可以反射光的金属背电极，从电极反射回来

的光将再次与金属纳米颗粒相互作用并被延迟，这样反复的作用使得入射

的光将会在半导体层中经过多次的光程，从而提升光的吸收。

2. 光汇聚作用：金属纳米颗粒被复合到光伏电池异质结后，金属纳米颗粒的

局域表面等离激元可以极大的提升颗粒周围的局域电磁场，从而有效地提

高颗粒周围半导体材料的光吸收能力，如图所示。金属纳米颗粒

可以近似为入射光的汇聚天线，它们将入射的光场能量储存在局域表面等

离激元模式中，从而提高光伏电池吸收光的效率。

3. 表面等离激元极化传导模式增强作用：在这种结构中，光在金属背电极和

活性层半导体吸收体之间的界面上传播，所示，这是一种基

于表面等离激元极化的电磁传播模式，在等离激元谐振频率处，这种消逝

电磁波模式被限制在两种材料的分界面，作用距离小于光的波长。在界面

上激发的表面等离激元极化模式可以有效地将光限制在半导体吸收体中。