石墨烯之俄歇效應_機理 (#28)

2015-7-29

石墨烯，一個原子層厚度的碳原子晶格，被合成為厘米級低密度海綿，來自南開大學陳永勝研究小組發表能夠推進、懸浮和旋轉新型的三維石墨烯超級結構，並推論可作為光碟機動引來許多的批判。如今 Tengfei Zhang等人在自然光子學也發表已經證明另一種未來可應用的光碟機動機制-光誘導電子發射（LIEE）驅動的宏觀石墨烯材料的直接推動器，令人不禁好奇其中究竟有何奧妙之處。

以氧化石墨烯其表面有多種基團，包括羥基、環烷基及羧基等，其結構缺陷較多，導電率僅 1 S/m，Bandgap絕對很大，別說狄拉克點了，連結構都畸形成什麼樣了，哪可能這麼容易打出這麼多俄歇電子呢﹔但是形成三維結構海綿，在氬氣 800 ℃高溫下處理，不能去除其三維結構內部的殘留基團或者雜質，卻形成數量很大的微小帶壓氣泡結構，此結構符合電鏡下氧化石墨烯真實三維結構。在光照下，因為氧化石墨烯的高透明度，內部基團或者會生成水或者其他小分子而蒸發，而這些氣體局限於一個微小的空間急劇升溫可以達到 1000 ℃可以上，會產生極大壓力，而去除了外表面基團的氧化石墨烯本身穩定性變差，光照能能量會誘發氧化石墨烯外表面的隨機表面受壓而破裂，也可能誘發基團的相互反應。蒸發的小分子從破裂處噴出，導致樣品運動，這可以解釋為何視頻樣品運動是脈衝式的。而且這也可以解釋為何空氣中效果變差，壓力差變小了。論文圖4e中的電子能量峰大約為 70 eV，這不是光電子，是激光等離子體相互作用產生的高能電子，有這種高能電子的存在，一定存在laser abalation，所以lasernabalation和氣體脫附效應不能排除。但這就不是光誘導電子發射了。

雖然這些發表論文的研究條件不夠嚴謹，但石墨烯光誘導電子發射還是可行的。事實上，石墨烯的光電和光子的屬性密切相關，原因在石墨烯獨特的電子能帶結構和熱性能，其中，與金屬和半導體相對比，在低電子能量下，電子導帶和價帶在兩個錐形的電子帶的匯合處接觸。在一個單層的石墨烯中，這種圓錐形強烈的改變能量鬆弛的途徑，因為電子的能量必須從兩個圓錐接觸的小點中穿過去。而無論是通過激光或日光激發之後，石墨烯內的高能電荷載體必須通過碰撞來放鬆自己的能量，創造或消滅其他基本准顆粒。在許多傳統的光電子材料中，引入到材料鬆弛中的光能主要變成聲子，產生熱。然而，因為石墨烯中電子和聲子的速度失配，以及因鬆弛形成的狹窄的錐形漏斗瓶頸，光能難以產生熱量。相反地，熱電子相互反彈，通過一個叫做俄歇複合的過程交換多餘的能量。

半導體中，無論是直接複合、間接複合，還是激子複合，都會有動量和能量的吸收或釋放，根據躍遷釋放或者吸收能量和動量的形式，分為輻射躍遷、聲子躍遷和俄歇躍遷。俄歇躍遷相應的複合過程可以稱為俄歇複合。俄歇效應是三粒子效應，在半導體中，電子與空穴複合時，把能量或者動量，通過碰撞轉移給另一個電子或者另一個空穴，造成該電子或者空穴躍遷的複合過程叫俄歇複合。這是一種非輻射複合，是「碰撞電離」的逆過程。這種複合不同於帶間直接複合，也不同於通過複合中心的間接複合（Shockley-Hall-Read複合）。Auger複合是電子與空穴直接複合、而同時將能量交給另一個自由載流子的過程。

而實現這個效應也與石墨烯的特殊性能有著不可分離的關係。石墨烯具有特殊的 「能帶結構」。材料的能帶結構決定了多種特性，特別是它的電子學和光學性質。以絕緣體與半導體來說明此結構的作用需要考慮其 「禁帶」 的大小。「禁帶」 就像是一條河，河越寬，電子想要過河的難度就越大，反之，越容易。對於絕緣體，「禁帶」 寬度較大，激發電子需要很多能量，因此激發電子的數目就十分少，以致所引起的導電作用在實際中可以忽略。對於半導體，「禁帶」 寬度較小，激發電子的數目較多，就可以導電。而由於「迪拉克點」的存在，石墨烯的 「禁帶」 趨近於 0，完美石墨烯的 「禁帶」 則是 0，所以這就使得石墨烯具有了超高的導電性。在表述導熱性方面，「禁帶」 的作用仍然如此。也因此 「禁帶」 寬度趨近於 0的石墨烯具有超高的導熱性能。

關於石墨烯超級結構的光致推進和導致宏觀動力的微觀俄歇過程還有許多關鍵的問題沒有解決。在原子的常規俄歇效應中，高能量的內部電子鬆弛成空置量子態，其特徵是具有一個非常具體的能量。從這個鬆弛過程中釋放的能量可以採取一個光子的形式，從而導致可測量的光發射或高能電子發射的電子。半導體中的俄歇過程是相似的，只是電子可具有寬的能量範圍，並且通常不會獲得足夠的動能從材料射出。產生足以驅動物料的能量（大於2毫瓦），如果是光電效應產生推力，估計發射出的電子總量至少為 3x10^18個，石墨烯將帶上 0.5庫倫的正電，對電磁學有點概念的人都知道帶這麼多電荷是比較難的（如果光電子的動能為1eV，要獲得所需的動量，所需的電子約 5x10^18，與之同一數量級）。2014年德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心 (HZDR)發表，在強磁場作用下，對石墨烯中電子的動力學研究有望促進新型寬頻激光器的研究中，將石墨烯放置在 4特斯拉的磁場內，在磁場的作用下，迫使材料中的電子形成特定的能級 (該能級被稱為朗道能級)，在石墨烯中發現電子通過俄歇散射被重新分配，激光泵浦了一些新電子進入朗道能級，然後這些朗道能級又以意想不到的方式逐漸被掏空，他們認為這是由電子間的碰撞導致的。

電子發射不是由於光電效應，而是強激光與物質或等離子體的相互作用。俄歇電子在固體中運行也同樣要經歷頻繁的非彈性散射，能逸出固體表面的僅僅是表面幾層原子所產生的俄歇電子，這些電子的能量大體上處於 10～500 eV，它們的平均自由程很短，大約為 5～20埃。要創造產生足以驅動物體的能量就要從石墨烯帶更多電荷著手，但也出現了幾個實際問題。材料在電子發射後會生成凈正電荷嗎，如果是的話，當材料的電子用完時發射過程最終停止嗎？這些問題的答案將是未來應用的關鍵，並且懸浮和推進的進一步研究將加深對石墨烯的光電和光子屬性的認識。
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