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表面等离子共振石墨烯光电器件
电子在石墨烯晶格的运动速度可以达到光速1/300，石墨烯也兼具透明、稳定和费米能级可调特性，因此石墨烯／半导体异质光电器件获得广泛关注。石墨烯／半导体异质器件耗尽层靠近表面，物理上利用金属纳米颗粒的表面等离子体共振物理可以显著上提高石墨烯光电器件性能。浙江大学林时胜（点击查看介绍）课题组发现在P型氮化镓表面放置石墨烯可直接发光二极管，正向和反向通电下均可发光(图1)。在氮化镓表面旋涂一层厦门大学李剑锋（点击查看介绍）课题组提供的银纳米颗粒，然后再放置一层石墨烯，利用银纳米颗粒的等离子场增强效应可将器件发光亮度提高一倍以上，当石墨烯接正压时，器件发出565nm附近的黄绿光；当石墨烯接负电压时，器件发出395nm附近的纯净蓝光。此石墨烯/银纳米颗粒/氮化镓发光二极管工艺简单，成本低廉，相应成果发表在国际知名期刊《Nano Energy》上[1]。
图1：(a)石墨烯/银纳米颗粒/氮化镓发光二极管示意图 (b)石墨烯加正电压时的电致发光谱 (c)石墨烯加负电压时的电致发光谱
太阳能电池和发光二极管一样，都是重要的光电器件。在发光二极管研究基础上，林时胜课题组率先提出一种简单工艺的金纳米颗粒/石墨烯/砷化镓太阳能电池，与厦门大学李剑锋课题组合作，在石墨烯异质器件表面简单旋涂一层金纳米颗粒后，利用等离子体共振聚焦太阳能光场在石墨烯表面，将太阳能电池的效率提升了30%，进一步优化后可将效率提升到16.2%，并且器件保持100小时光照后效率也没有下降(图2)。这一成果近期发表在国际知名期刊《Advanced Energy Materials》上[2]。
图2：(a)石墨烯/砷化镓太阳能电池的结构图(b)太阳能电池光照稳定性
这两项研究为石墨烯太阳能电池效率的提升和石墨烯基发光二极管设计指明了新的方向，相关科学原理可以拓展到其他二维材料/半导体异质光电器件。
1. 该论文作者为：Zhiqian Wu, Yanghua Lu, Wenli Xu, Yuejiao Zhang, Jianfeng Li, Shisheng Lin
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Surface plasmon enhanced graphene/p-GaN heterostructure light-emitting-diode by Ag nano-particles
Nano Energy, 2016, 30, 362-367, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.10.028
2. 该论文作者为：Shi-Sheng Lin, Zhi-Qian Wu, Xiao-Qiang Li, Yue-Jiao Zhang, Sheng-Jiao Zhang, Peng Wang, Rajapandiyan Panneerselvam, Jian-Feng Li
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Stable 16.2% Efficient Surface Plasmon-Enhanced Graphene/GaAs Heterostructure Solar Cell
Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600822, DOI: 10.1002/aenm.201600822
导师介绍
林时胜副教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/35056
李剑锋教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/14062