研究人员设计一种三层材料增强石墨烯激发电子寿命

Kansas大学的研究人员将石墨烯层与与另外两个原子层（二硒化钼和二硫化钼）连接起来，使石墨烯中激发电子的寿命延长了几百倍。图片来源：Matthew Bellus

2010年诺贝尔物理学奖颁给了石墨烯的发现者。石墨烯—单层碳原子—具有许多理想的应用特性。在大多研究人员眼中，石墨烯是十年来最热门的材料。仅在2017年，全球就有30000多篇关于石墨烯的研究论文发表。

目前，Kansas大学物理与天文学系的两位研究人员，Hui Zhao教授和研究生Samuel Lane将石墨烯层与与另外两个原子层（二硒化钼和二硫化钼）连接起来，使石墨烯中激发电子的寿命延长了几百倍。这一发现将发表在《Nano Futures》杂志上，这是一个新发行的并且具有高淘汰率的期刊。

在Kansas大学进行的这项工作可以加速高效率超薄柔性太阳能电池的发展。

对于电子和光电应用，石墨烯具有优异的电荷传输特性。据研究者们说，电子在石墨烯中以光速的1/30的速度移动，比其他材料快得多。这可能暗示了石墨烯可以用于太阳能电池，它可以将能量从光能转换为电能。但是石墨烯有一个主要的缺点阻碍了这种应用——它的超短寿命的激发电子（即，电子保持移动的时间）只有大约一皮秒（一百万分之一的一百万分之一秒，或者10-12秒）。

“这些被激发的电子就像学生在喝了能量饮料之后从座位上站起来，激活的学生就像被光激发的电子。” Zhao说：“精力充沛的学生在课堂上自由活动——就像人流一样。”

Kansas大学的研究人员说，以石墨烯为工作材料的太阳能电池实现高效率的最大挑战之一是释放电子，或者可以这样说，站立的学生有强烈失去能量的倾向，变得不动，就像学生坐下来一样。

“电子数量或者我们所举例子中的学生，谁能为电流作出贡献取决于他们在光被释放后能否保持移动的平均时间。”Zhao说：“在石墨烯中，电子只能停留一皮秒。这对于积累大量的移动电子来说太短了。这是石墨烯的固有特性，是在光伏或光敏器件中应用这种材料的一个很大的限制因素。换句话说，虽然石墨烯中的电子可以通过光激发而移动，并且可以快速移动，但他们只停留在一个短的时间来贡献电力。”

在他们的新论文中，Zhao和Lane指出这个问题可以通过使用所谓的范德瓦尔斯材料来解决。他们方法的原理很容易理解。

“我们只要把椅子从站立的学生那里拿走，这样他们就无处可坐了。”Zhao说：“这迫使电子保持比以前长几百倍的移动时间。”为了实现这一目标，在Ku超快激光实验室，他们设计了一种三层材料，把单层的MeSe2、WS2和石墨烯放在彼此之上。

“我们可以把Mase2和石墨烯层看成是两个坐满学生的教室，而中间的WS2层充当分隔两个房间的走廊。”Zhao说：“当光线撞击样品时，MeSe2中的一些电子被释放。他们可以穿过WS2层走廊进入另一个房间——石墨烯层。然而，走廊是精心设计的，所以电子必须离开他们在Mase2层的座位。一旦进入石墨烯，他们别无选择，只能保持移动，贡献成了电流，因为他们的座位已经不再适合他们了。”

为了证明这个想法是有效的，Ku研究人员使用超短激光脉冲（0.1皮秒）来释放MeSe2中的一些电子。通过使用另一个超短激光脉冲，当它们移动到石墨烯层时，它们能够监测这些电子。他们发现这些电子通过“走廊”平均需要0.5皮秒。然后他们移动大约400皮秒——比单层石墨烯提高400倍，这也是他们在同一研究中测量的。

研究人员还证实，在Mase2留下的“座位”在相同的时间内保持空闲。在传统领域中，这些座位应该永远空着。然而，在量子力学中，电子“隧道”回到这些座位。研究人员提出的这一过程决定了移动电子的寿命。因此，通过选择不同的“走廊”层，这个时间可以被控制用于各种应用。

原文来自phys，原文题目：Researchers improve conductive property of graphene, advancing promise of solar technology，由材料科技在线汇总整理。