石墨烯之熱載流子效應_機理 (#26)

2015-7-25

石墨烯可以對光產生不同尋常的反應，在室溫和普通光照射下，就可以發生熱載流子效應，產生電流。這一發現不僅為石墨烯再添新奇屬性，更有希望使其在太陽能電池、夜視系統、天文望遠鏡及半導體感測器等應用領域發揮作用。熱載流子效應並不新奇，但通常情況下，需要在接近絕對零度或在極強的激光照射下才會發生，但石墨烯卻表現出在室溫和普通光下就可以產生熱載流子效應的性能，這讓人們對石墨烯未來的應用產生了巨大的想像空間。當光照在石墨烯上時，可以產生兩個具有不同電氣特性的區域，進而出現溫差，產生電流。石墨烯在激光照射加熱不一致時，攜帶電流的電子被加熱，而晶格中的碳原子核保持低溫。正是由於石墨烯內部的溫差，產生了電流。這種不同尋常的機制就稱為熱載流子效應。

研究人員在實驗室製造了複雜的石墨烯納米 P-N結，利用 850納米的激光照射石墨烯 P-N結界面，並測量激光照射點產生的光電流。結果發現，隨著激光強度的增加，特別是在低溫的條件下，可取得最大為 5 毫安/瓦（mA/W）的光電流，這一數值比以前的石墨光電器件高 6倍。研究人員認為，石墨烯之所以會產生上述現象，是由於大多數材料的過熱電子可將能量傳遞到周圍晶格，而石墨烯則需要很高的能量才能振動其晶格的碳原子核，因此只有很少的電子能將熱能轉移到晶格。中國科學院透過實驗證實當材料中電子馳豫過程隨溫度發生顯著變化時（反映在電子遷移率或粒子壽命的溫度變化上），材料會產生一個額外的，不依賴於費米面狀態的 Seebeck信號。這個效應的符號和大小與能帶結構沒有直接關係，其物理來源是電子馳豫過程的溫度非對稱性。

Seebeck效應，又稱熱電效應，是指一種材料中存在溫度梯度時，會產生相應的電壓差的現象。Seebeck效應和材料的電子結構密切相關，其大小和隨外界條件的變化反映了材料費米能附近電子態密度的非對稱性結構。除了基礎物理方面的研究意義以外，目前國際上對Seebeck效應的關注更多地集中在其應用價值上，即熱電材料的應用。利用溫度差和電勢差的相互關係，熱電材料可以應用在溫差發電或固態製冷方面，作為一種新型的能源材料正在受到廣泛的關注。為了進一步提高材料的 Seebeck係數，該領域當前的研究主流是以能帶計算為基礎，尋找能帶結構更合理的新型材料和低維材料。

熱電現象指的是當電子和空穴響應於溫度梯度而在材料中移動時發生的熱和電之間的可逆的直接能量轉換。Seebeck現象包括 Peltire效應和 Thomson效應。Peltire效應用於冷卻系統中並基於響應於所施加的電流而提供在材料的相反兩端的溫差， Thomson效應用於發電系統中以根據材料的相反兩端之間的溫差提供電動勢。在固態製冷方面，由於半導體材料具有較高的熱電勢可以成功地用來做成小型熱電製冷器，熱電製冷器的產冷量一般很小，所以不宜大規模和大製冷量使用。但由於它的靈活性強，簡單方便冷熱切換容易，非常適宜於微型製冷領域或有特殊要求的用冷場所。熱電製冷的理論基礎是固體的熱電效應，在無外磁場存在時，它包括五個效應，導熱、焦耳熱損失、Seebeck效應、Peltire效應和 Thomson效應。一般的冷氣與冰箱運用氟氯化物當冷媒，造成臭氧層的被破壞。無冷媒冰箱 (冷氣) 因而是環境保護的重要因素，利用半導體之熱電效應，可製造一個無冷媒的冰箱。這種發電方法是將熱能直接轉變成電能，其轉變效率受熱力學第二定律即卡諾效率 (Carnot efficiency)的限制。

nn此外，相較於其他能量採集技術，太陽能電池已屬較為成熟的技術，不過仍有其瓶頸須克服，其中一個問題是，太陽能電池必須不斷處於光照環境下才能持續發電，若裝置被遮蔽例如被衣袖遮蓋則無法發電。對於穿戴式裝置來說，人體體溫可視為熱的一端，而周遭環境則屬於冷的一端，如此就能形成熱電採集所需的溫差環境，而產生能量的多寡則取決於溫差大小值。由 Peltire帖組件可以收集較多的能量，因此對於電力需求較高的穿戴式裝置來說，是較具發展潛力的能量採集技術。此外，熱電採集另一優勢是只要裝置緊貼皮膚，無論室內或室外、白天或黑夜，能源都可以源源不絕。壓電採集的方式是將振動或衝擊的機械能轉換為電能，在壓電效應的關係下，當壓電組件由機械力學操縱時就會產生微弱的電流。對於穿戴式裝置而言，壓電組件的設計通常是透過走路、呼吸、手腕移動等方式的振動來產生電力。
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