PDF《石墨烯光阴极带隙设计》

收稿日期院2015-03-07曰 修订日期院2015-04-13 基金项目院北方夜视科技集团工艺科研项目(GY201407) 作者简介院李世龙(1985-)袁男袁硕士袁主要从事无机非金属材料及石墨烯材料方面的研究遥 Email:hilonglee@163.

com 石墨烯光阴极带隙设计 李世龙 1,2 , 石峰1,2 , 张太民 1,2 , 刘照路 1,2 , 张番1,2 , 李丹1,2 , 任兆玉

3 (1. 微光夜视技术重点实验室, 陕西 西安 710065;

2. 北方夜视科技集团股份有限公司, 云南 昆明 650223;

3. 西北大学 光子学与光子技术研究所, 陕西 西安 710069) 摘 要院 为了使石墨烯光阴极实现光电转化功能, 以超晶格形式掺杂六角氮化硼到石墨烯中, 形成杂 化纳米带. 通过基于第一性原理的计算, 从能带结构可以看出, 这种方法可以在一个很大的范围内(0耀2.5 eV)调控带隙大小. 结合能带结构和电荷密度分布分析了带隙调控的机理, 此外, 运用 K-P 模型理 论分析也得到了一致的结果.以这种方式调控石墨烯材料的带隙,锯齿型边缘和扶手椅型边缘的六 角氮化硼/石墨烯(h-BN/graphene)超晶格纳米带, 其带隙大小均随着其中 h-BN 所占比例的增加而变 大, 而且其带隙大小几乎不受纳米带宽度的影响, 这样一来材料的尺寸可以做到更加微型化.再者, 基于此方法可以制成渐变带隙结构, 进而实现同一光阴极对不同范围光谱的响应. 关键词院 石墨烯;

光阴极;

带隙;

六角氮化硼 中图分类号院 O471 文献标志码院 A 文章编号院 1007-2276(2015)11-3191-06 Band gap design of graphene photocathode Li Shilong1,2 , Shi Feng1,2 , Zhang Taimin1,2 , Liu Zhaolu1,2 , Zhang Fan1,2 , Li Dan1,2 , Ren Zhaoyu3 (1. Science and Technology on Low鄄Light鄄Level Night Vision Laboratory, Xi忆an 710065, China;

2. North Night鄄Vision Science &

Technology Group Corp. Ltd., Kunming 650223, China;

3. Institute of Photonics and Photon鄄Technology, Northwest University, Xi忆an 710069, China) Abstract: In order to achieve graphene photocathode photoelectric conversion function, hexagonal boron nitride was doped in graphene in the form of hybrid superlattices nanoribbons. As can be seen from the band structure which was obtained by applying first鄄principles methods, the band gap of the superlattices was effectively regulated in a wide range (0 -2.5 eV) by this means. The mechanism of band gap regulation was analyzed by the energy band structure and the charge density distribution. Furthermore, the present results were coincidence with the conclusion of Kronig鄄Penney model. With the increase of the h -BN proportion, the band gap engineering of graphene materials in this way, the band gap increases both zigzag edges superlattices nanoribbons and armchair edges superlattices nanoribbons. Besides, the band gap is almost independent of the width of nanoribbons, thus the size of the material can be more miniaturized. Moreover, the graphene photocathode with the gradient band gap characteristic can be made based on this approach, it can respond to different spectral ranges. Key words: graphene;

photocathode;

band gap;

hexagonal boron nitride 第44 卷第

11 期 红外与激光工程

2015 年11 月Vol.44 No.11 Infrared and Laser Engineering Nov.

2015 红外与激光工程 第44 卷0引言石墨烯作为第一个被发现的准二维材料[1] 袁由 于其独特的 Dirac 费米子电子结构尧极高的载流子迁 移率以及超强的力学性能袁 近些年来一直是凝聚态 物理和材料科学领域的研究热点[2] 遥 最近袁石墨烯在 光电子学和光电探测应用领域也表现出极有潜力袁 具有光谱带宽广尧响应迅速的优点袁但由于石墨烯是 一个零带隙的半导体袁所以不具有光电转换功能遥 目 前主要通过在石墨烯薄膜上形成一层量子点材料来 实现光吸收和转化功能袁 石墨烯仅是载流子输运通 道袁并且在制造量子点时袁要保证在量子点和石墨烯 之间实现配位体交换最大化具有很大困难[3] 袁这也 就造成内量子效率偏低的结果遥 实现高量子效率的 最直接途径就是使石墨烯能够进行光电转化袁 这就 需要石墨烯像 GaAs 光阴极材料[4-5] 和GaN 光阴极材 料[6] 一样具有一定的带隙袁因此袁对石墨烯材料进行 带隙设计就显得尤为重要遥 在关于石墨烯的许多理论研究中提出了不同 的改变带隙的方法袁比如通过改变石墨烯的形状使 之形成纳米带或量子点等结构袁或是在石墨烯中掺 杂其他元素均可达到打开带隙和改变带隙大小的 效果[7-9] 袁不过带隙打开的范围普遍较小遥 六角氮化硼 (Hexagonal boron nitride袁h-BN)是 一种具有与石墨烯相同晶格结构的宽带隙材料袁并 且键长也相近袁因此晶格匹配度极高遥 最近袁Lijie Ci 与其同事已经在实验上成功制备出大面积原子层厚 度的 h-BN-C 的复合材料[10] 袁这也就预示着通过 h-BN 和石墨烯合成单层的 h-BN-C 杂化结构在实验实现 上的可行性遥 在光电探测器领域袁 通过形成超晶格结构进而 改变材料能带结构是一种十分行之有效的办法[11-12] 遥 因此袁文中从此观点出发袁由石墨烯纳米带(GNRs)和 氮化硼纳米带(BNNRs)片段拼接成一维超晶格结构 的纳米带袁通过沿 K-P 模型[13] 方向改变两个基本构 成单位的比例进而达到调控带隙的目的遥