Anonim

Temaer

  • Elektroniske enheter
  • Elektroniske egenskaper og enheter

Abstrakt

Semiconductor pn-kryss er elementære byggesteiner av mange elektroniske enheter som transistorer, solceller, fotodetektorer og integrerte kretser. På grunn av fraværet av en energibåndgap og masseløs Dirac-lignende oppførsel av ladningsbærere, oppnås det ikke nådd grafen-pn-sammenkobling med elektriske strømrektiveringsegenskaper. Her viser vi en grafen pn kryssdioden kan utelukkende fremstilles av karbonmaterialer ved laminering av to lag med positivt og negativt ladet grafenoksyder. Som interdiffusjon av motsatt ladede mobile motjoner, opprettes et innebygd potensial for å korrigere strømmen ved å endre tunnelsannsynligheten for elektroner over krysset. Denne grafendioden er halvtransparent, kan utføre enkle logiske operasjoner, og siden det har karbon nanorørelektroder, demonstrerer vi alle karbonmaterialer på diode. Vi forventer at denne grafendioden vil utvide materialvalg og gi funksjonaliteter (f.eks. Grafting-anerkjennelsesenheter på grafenoksyder) utover det som er av tradisjonelle halvledere pn-kryss.

Introduksjon

Graphene, en atomtynn sekskantet gitter, har i dag tiltrukket seg stor forskningsinteresse på grunn av sin store lovende bruk for et bredt spekter, inkludert elektroniske enheter 1, 2, energikonvertering og lagring 3, 4, sensorer 5, 6, optikk 7, 8, samt biomedisinske applikasjoner 9, 10 . I motsetning til konvensjonelle halvledere møtes dets lednings- og valensbånd ved Brillouin-sonehjørner, og derfor bør fremstilling av elektroniske komponenter fra denne halvspalt halvleder finne en uvanlig måte 11 . Teknikker som å kutte grafen i nanoribbene 12, plassere forspenning på tolagsgrafene 13, og å påføre mekaniske stammer 14 ble utviklet for å åpne et bandgap og slå av strømmen av grafenfelt-effekt-transistorer. I tillegg har grafen dioder fått særlig oppmerksomhet fordi dioder er de grunnleggende byggeblokkene i et bredt utvalg av elektroniske / fotoniske systemer. Siden grafen er metallisk ved en tilstrekkelig stor Fermi-energi, ble Schottky-dioder fremstilt ved å bringe metallgrafene og halvledermaterialer i kontakt 15, 16 . Med en gate-modulering av lokaliserte energinivåer ble avstembar lysemitterende diode demonstrert ved å bruke et semi-redusert grafenoksid 17 . Selv om pn-kryss med en plan geometri kunne realiseres ved flere elektrostatiske inngrep 18, lokal kjemisk dopning 19 og konstruksjon av substrat 20, ble det ikke observert noen korrigerende virkning på grunn av Klein tunneling av relativistiske Dirac-fermioner 21 . I den vertikale struktur pn kryssene ble nåværende korrigering oppnådd ved å sette inn / danne et tynt lag av isolerende eller halvledende barrieremateriale mellom p og n grafenlag, som viser atferd av en typisk resonant tunneling diode 22, 23 . Så langt er det fortsatt mangel på robust teknikk ved å lage grafendiododer, spesielt diode som en lignende struktur til halvlederpn-krysset. På den annen side inneholder grafenoksyd (GO) forskjellige reaktive oksygrupper (-COOH, OH og C-O-C), som gir mulighet for kjemisk modifikasjon og produserer funksjonelle materialer for en rekke anvendelser 24, 25 .

Her ble grafen-pn-kryssdioden fremstilt ved laminering av to lag av slike kjemisk funksjonaliserte positivt (p) og negativt (n) ladede grafenoksyder på de gjennomsiktige substratene. Som kontakt av to lag ble mobile motjoner diffusert over grensesnittet mens forankrede ladninger på grafenoksydrammen var immobile. En likevektstilstand ble nådd der et internt elektrisk felt ble etablert for å avstemme elektrontunnellingssannsynligheten gjennom krysset. Den koblede bevegelsen av ioner og elektroner så vel som den nåværende rektifisering ble modellert ved å bruke en kombinasjon av Nernst-Planck-diffusjon og Poisson's ligninger. Siden karbonnanorørene ble brukt som ledende elektroder, viste vi alle karbonmaterialer på diode. For å evaluere nytten av disse grafendioder for å bygge prosesseringsenhetene som trengs for enkel beregning, i kombinasjon med grafenmotstander, ble alle karbonmaterialer OG og OR logiske portene konstruert.

resultater

Alle karbonmaterialer på diodefabrikasjon

Nøkkelkomponentene til grafen pn-kryssdioden er et lag med negativt ladet GO og et lag med positivt ladet GO (se figur 1a og Metoder). Før forankring av negative og / eller positive ladninger på grafenoksydene ble oksidasjonen ytterligere oksidert for å fremstille flere -COOH-grupper som da ville øke ionladningsdensiteten i de påfølgende GO-lagene (tilleggsbilde 1). Negativt ladet GO ble syntetisert ved å deprotonere GO med tetrametylammoniumhydroksydoppløsning ((CH3) 4N + OH-, TMAH, pH = 10), mens den positivt ladede GO ble syntetisert via en to-trinns prosedyre 26, 27 (se Metoder og supplerende figur 2a). Den kjemiske funksjonaliseringen ble verifisert ved endringen av Zeta-potensialet fra -34, 66 mV til -48, 17 mV for negativt ladet GO og til +39, 37 mV for positivt ladet GO (tilleggstabell 1). Videre ble den positive modifikasjonen ytterligere demonstrert ved Fourier-transform infrarødspektroskopi (FTIR) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) karakterisering. I FTIR ble intensiteten av C = O (1734 cm- 1 ) og O-H (3415 cm- 1 ) strekk topp undertrykt sterkt mens amid-bånd, amid-II-bånd og amid-III-bånd oppstod ved 1631 cm -1, 1460 cm -1 og 1384 cm -1, som tilskrives C = O strekkvibrasjoner i RNH-CO og koblingen av C-N strekkvibrasjon til N-H-bøyningsvibrasjon (tilleggsbilde 3) . I XPS ble toppene korrelert til amidasjonsreaksjonen (399.257 eV, C-N, 402.128 eV, C-N + og 400.187 eV, N-C = O) observert mens disse toppene ikke ble observert før positiv modifikasjon . 4).

Fremstilling av alle karbonmaterialer pn diode. a Skemaet av et alt karbonmateriale pn diode bestående av et 40 nm tykt negativt ladet GO (-) lag (n), et 40 nm tykt positivt ladet GO (+) lag (p), to 20 nm tykke CNT bevegelseselektroder og to gjennomsiktige glassstøtter. b De molekylære strukturene av kjemisk funksjonalisert positivt (p) og negativt (n) ladede grafenoksyder. De mobile motjonene er henholdsvis kloridanion og tetrametylammoniumkatjoner. c Det typiske TEM-bildet av høyt spredte positivt ladede GO-ark. Skalestang, 500 nm. d Overflatemorfologien (SEM image) av et 40 nm tykt positivt ladet GO (+) lag med et 20 nm tykt CNT lag i bunnen. Skalbjelke, 2 μm. e Fotografier av negativt ladet GO-lag (venstre, 40 nm tykt), positivt ladet GO-lag (midt, 40 nm tykt) og laminerte lag (høyre). (Merk: både positivt og negativt ladet GO har ledende CNT-elektroder (20 nm tykk) nederst)

Full størrelse bilde

For å fremstille lagene ble karbon nanorør (CNT) og ladede GOs-oppløsninger filtrert suksessivt gjennom en blandet celluloseestermembran (MCE, porestørrelse 0, 22 um). (Merk: (1) CNT-elektrodene ble også kjemisk funksjonalisert ved lignende prosedyrer til GOs (se Methods) for å eliminere mulig dipoldannelse ved grensesnittet mellom CNT og GO-lag, (2) ledningsevnen til ladet 20 nm tykt CNT elektroder var over 10 3 S cm -1, ca. 2 størrelsesordener høyere enn ladede GOs (tilleggs tabell 2); (3) begge CNT og GO var sterkt dispergert i avionisert vann (se figur 1c-e, tilleggsbilde 2, og tilleggsbilde 5)). Som etsning av MCE ble lagene overført på gjennomsiktige glideskinner og ble deretter tørket ved bruk av nitrogengass. En egenskap av lagene var deres halvtransparente egenskaper som kunne passere flertallet av lys ved bølgelengden 500-650 nm, spesielt ca. 70% for positivt ladet lag og ca. 80% for det negativt ladede lag (se figur 1e og Supplerende Fig. 6). En all karbonmateriale på diode ble deretter fremstilt ved å laminere det positivt ladede lag GO (+) / CNT (+) og det negativt ladede lag GO (-) / CNT (-) med en ansikt til ansiktskonfigurasjon. Grafen pn-dioden ble endelig forseglet med polydimetylsiloksanen og målingene ble utført under omgivelsestilstand med de datamaskinkonflikte høytydighetselektrometre.

Elektrisk gjeldende korrigering

En typisk strømspenning ( I - V ) karakteristikk av grafen pn-forbindelsesdioden ble vist i figur 2a. Når forspenningen ble påført på den positivt ladede CNT-elektroden (også positivt ladet GO-siden, fremoverforspenning, se figur 1a) økte strømmen raskt til en verdi på ca. 600 nA (ved 1 V); Imidlertid ble en mye lavere strøm (ca. 100 nA ved 1 V) detektert da forspenningen ble påført på den negativt ladede CNT-elektroden (revers bias). Ved både hurtige (0, 01 V / 0, 1 s) og langsomme (0, 05 V / 5 s) feiehastigheter, er de nåværende retifikasjonsforholdene (\ (r = I_ {+ 1 {\ mathrm {V}}} / I_ {- 1 {\ matrm {V}}} \)) ble stabilisert ved ca. 6. Dette nåværende reaksjonsfenomen ble ikke observert i en rekke kontrollanordninger: (1) en anordning bestående av to lag med positivt ladede GO'er, (2) en anordning omfattende to lag med negativt ladede GO, og (3) flere andre enheter (se figur 2b og tilleggsbilde 7 for detaljer), som utelukket mulig grensesnittvirkning (f.eks. Schottky-barriere eller dipol) mellom CNT-elektrod og GOs, og derfor, Vi antok at grensesnittet mellom positivt og negativt ladet GO skal være nøkkelfunksjonen for den nåværende utbedring.

Karakterisering av grafen pn diode. a Den typiske strømspenningsegenskapene til en grafen pn diode med rask (svart firkant, 0, 1 V / 0, 1 s) og langsom feiehastighet (rød trekant, 0, 05 V / 5 s). b Statistikken for korrigeringsforhold for grafen pn dioder ( r, ca. 5) og to kontrolleksperimenter som består av enten GO (+/-) eller GO (+ / +) lag, og viser ingen nåværende utjevningsegenskaper ( r, ca. 1). Feillinjen for pn diode er basert på 11 enheter. Feilsøkene for kontrolleksperimenter er basert på fem enheter. c De nåværende transientene ble overvåket ved å styrke potensialet fra 0 til +1 V eller -1 V. d De nåværende transienter ble registrert ved laminering av de positivt ladede og negativt ladede GO-lagene. Nåværende forfall ble montert biexponentielt

Full størrelse bilde

Den nåværende reaksjonseffekten ble ytterligere verifisert når en forspenning ble konstant påført (figur 2c). De nåværende transientene ble registrert i opp til 100 s ved å bytte bias fra 0 til +1 V eller -1 V. Strømmene ble funnet å nå stabil tilstand og stabilisert ved ca. 600 nA (+1 V) eller omtrent 100 nA (ca. -1 V) kort med påføring av bias ved begge polariteter. Dette viste at (1) den registrerte strømmen ikke domineres av transientstrømmene av ioniske arter, men elektroner, (2) den nåværende utbedring (blå kurve, høyre akse i figur 2c), plottet i sanntid og stabilisert i et forhold på ca. 6, er de inneboende egenskapene til grafen pn dioden, hvor elektrontunnelen og / eller hoppesannsynligheten varierte ved fremover og bakoverforspenning.

I GO-lagene er belastningene ankret på GO-rammene fastkjørt og begrenset til migrasjon, men motjonene (Cl- og (CH3) 4N +, se figur 1b) er ikke. Som laminering av to motsatt ladede GO-lag, diffusjonene diffusert over grensesnittet siden det er entropisk gunstig. Klorid-anioner diffusert til n-regionen, mens ammoniakk-kationer diffusert til p-regionen (se p og n-region i figur 1a), som ble manifestert som en forbigående strøm innspilt umiddelbart etter laminering av to GO-lag i fravær av en påført bias (Fig. 2d). Slike interdiffusjon skapte et potensial og deretter transformert til et indre elektrisk felt ved krysset pekende fra p til n-lag. Dette feltet rettet deretter gjeldende strøm ved å lette eller hindre transport av elektroner, avhengig av polariteten til ekstern forspenning.

Modellering av piodioden

Den nåværende korrigering av grafen pn-kryssdioden ble forklart ved bruk av en kontinuum-ladningstransportmodell (se detaljer i avsnittene Metoder og referanser 28, 29 ). Denne modellen kombinerte Nernst-Planck-diffusjon og Poisson's ligninger, der både motjoner og elektroner kunne diffundere som svar på konsentrasjonsgradienter og migrere på grunn av lokale elektriske felt. Interdiffusjonen av motjoner ( ni, figur 3a), romlig utviklende fordeling av ledningselektroner ( n e, tilleggsbilde 8c, svarte kurver), potensial ( u, tilleggsbilde 8d, svarte kurver) og det indre elektriske feltet ( E, figur 3b) ble først gjengitt i fravær av påført forspenning. Ved å anvende en forspenning, ble motjonene og elektronene som ble omfordelt (se tilleggs fig. 8a og 8c, rød kurve) og et sterkere elektrisk felt (tilleggs figur 8e, rød kurve) generert for å hjelpe elektronene tunneling fra negativt til positivt GO-lag ; Men med en motsatt forspenning hindret feltet på den annen side elektronene transporten. Viktig er at denne modellen reproduserte kvalitativt (1) strømspenningsegenskapene ( I- V ) (fig. 2a og 3c), (2) de forbigående nåværende responsene ved enten positiv eller negativ forspenning (fig. 2c og 3d) og 3) forbigående strøm som laminering av to lag i fravær av påført forspenning (figur 2d og utfyllende figur 8f).

Modellering av gjeldende korrigering. en romlig fordeling av tetrametylammoniumkatjoner (rød) og kloridanjoner (svart dash) etter ekvilibrering i fravær av påført forspenning. b Det indre elektriske feltet ved krysset i fravær av påført forspenning. c, d Stabilitetsspenningsegenskapene ( c ) og de forbigående strømresponsene ( d ) ved enten positiv eller negativ konstant forspenning

Full størrelse bilde

Logiske porter

For å demonstrere bruken av graphen pn-kryssdioden for å bygge prosesseringsenhetene som trengs for enkel beregning, ble OG og OR logiske porte konstruert (figur 4). For AND-logikkporten (figur 4a) ble det kun produsert et høyt utgangspotensial når det var positivt potensial på brytere A og B (representert ved 1). Et annet kretsdesign tillot en OR logisk gate som skal realiseres (figur 4b). I motsetning til AND-porten, da en av bryterne A og B ble aktivert med høyt potensial, var produksjonen et høyt potensial.

Alle karbonmaterialer kretser basert på grafen pn diode. a, b Demonstrasjon av en OG logisk gate ( a ) og en OR logisk gate ( b ) fremstilt ved å integrere grafen pn dioder og motstander. Innlegget er kretsdiagrammet. En inngang på 0 eller 1 representerer lave (0 V) eller høye (2 V) potensialer. For begge portene er motstanden til motstanden ca. 10 MΩ

Full størrelse bilde

Det må bemerkes at avskjæringsevnen til AND-porten (svarte, røde og grønne kurver i figur 4a) ikke kunne konkurrere med kretsene basert på halvlederdioder fordi grafen pn-dioden har en betydelig intern motstand (omtrent MΩ ) selv når en forspenning ble påført (figur 2a, er strømmen i området sub-mikro-Ampere). Denne motstanden påvirket også utgangen av OR-porten hvor de høye potensialene var mindre enn den påførte 2 V (ca. 1, 7 V). Tilsynelatende kan integrering av en motstand med mye høyere motstand forbedre kretsytelsen. For eksempel, med en GΩ-motstand, kan utgangen av det lave potensialet i AND-porten være mindre enn 0, 01 V og det høye potensialet i OR-porten kan være høyere enn 1, 99 V.

Diskusjon

Konstruksjonen av grafen pn diode fra ladede GO'er resulterer i en annen fysisk beskrivelse fra tidligere kryssdioder. I en typisk halvlederpn-sammenkobling, for eksempel, ladningsbærerne (både hull og elektroner) diffunderer / driver over grensesnittet og i likevektstilstanden, ble det opprettet et uttømningsområde og et internt elektrisk felt er etablert peker fra n-region til p-region i fravær av en ekstern påført bias 30 . I grafen pn diode skjedde imidlertid (1) interdiffusjonen i blandingssonen i stedet for depleteringsregionen i halvleder pn diode, (2) dannelsen av det indre elektriske feltet ble entropisk drevet, i motsetning til halvlederpn-kryssene hvor spenningen oppsto fra ekvilibrering av det elektroniske kjemiske potensialet, (3) det indre elektriske feltet for grafen diode økte sannsynligheten for elektron tunneling / hopping fra n til p lag, i motsetning til en halvleder pn diode hvor båndjusteringen tillot at elektroner strømmer fra n type region til p-type-region, men ikke i omvendt retning, og (4) det interdiffusjons-opprettede elektriske felt pekte fra p til n-lag, mens det var i uttømningsområdet av en halvleder pn diode, dette feltet ble reversert fra n til p-region . På den annen side er dioder basert på ren ionladningstransport 31, 32 ofte merket som P eller N basert på tegn på ledende ladningsbærere: Mobile kationer er gitt som P, mens ledende anioner er betegnet med N. Hvis positive forstyrrelser påføres til P (GO (-) med positive motjoner) side av enheten-det vil si forventet forspenning høye strømmer. Faktisk tilsvarer denne forspenningen lav strøm i dagens diode. Videre er enten anordningens struktur eller korrigeringsprinsipp for grafen pn-forbindelsesdioden forskjellig fra andre grafen-dioder, slik som Schottky-dioder 15, 16, lysemitterende diode 17 og resonant tunneldioder 22, 23 . Disse forskjellene foreslår sterkt bruk av ladede GO'er da den elektronbærende fase fører til en annen mekanisme for diodeadferd enn de som tidligere er rapportert. Basert på Zeta-potensielle målinger (Tilleggstabell 1) og transportegenskaper (Supplerende Fig. 9-12), etterlikner definisjonen av halvleder-pn-kryss, nevnte vi denne nye diode som grafen på diode.

Til slutt ønsker vi å understreke forholdet mellom relativt lav rektifikasjon (fig. 2b) av grafen-dioden, og spesielt se etter effektive metoder for å forbedre ytelsen. Elektrontunnelleringssannsynligheten (enten fremover eller bakover) er avhengig av størrelsen på det indre elektriske feltet som er direkte påvirket av graden av ionblanding ved krysset. Høyere mobil motjonskonsentrasjon vil føre til flere ioner interdiffusjon (analogt med dopningsnivå i halvledere) og følgelig dannelsen av et sterkere internt elektrisk felt. Metoder som å produsere flere -COOH grupper og kovalent koble ioniske dendrimerer kan være de mest effektive måtene. For å ytterligere øke dagens korrigeringsforhold, foreslår vi en diode med fire grafen atomlag, som skal være den nedre grensen til en kryssdiode. I en slik anordning er to sterkt ledende grafenlag av elektroder til stede, en er positivt ladet GO-lag, og den siste er negativt ladet GO-lag. Laminering av p og n-lag sammen og fjerning av mobile motjoner ville skape et veldig sterkt felt ved forankrede eller fastkjørte immobile ladninger på GO-rammene, bortsett fra motjonene i det foreliggende tilfelle. Faktisk har vi allerede demonstrert dette konseptet ved å laminere to ladede monolagere mellom gullplater i stedet for enkelsidige grafenelektroder, hvor det nåværende korrigeringsforholdet forbedret omtrent 2 størrelsesordener.

Sammendrag Vi har vist et halvtransparent alle karbonmaterialer på kryssdioden ved å laminere to lag med motsatt ladede GO-lag. Denne dioden er forskjellig fra tidligere enheter der gjeldende korrigering skjer fordi et internt felt styrer tunnelen og / eller hoppesannsynligheten for ledningselektroner. Observasjonen av gjeldende korrigering i grafen pn krysser utvider materialklassen og fysiske fenomenene som kan brukes til å bygge elektroniske komponenter. Vi ser frem til at vi ser vår grafen pn diode som blekkskriver ut fra vandige karbonfarger på fleksible, gjennomsiktige og jevntrekkbare underlag i et bredt spekter av applikasjoner. Disse applikasjonene kan være hudlignende elektronikk for å overvåke de fysiologiske forholdene 33, systemer for opptak og manipulering av vevsadferd 34, og til og med smarte selvdrevne enheter med multifunksjoner 35 . Vi ønsker også å integrere funksjonene til GOs (energi, sensing, katalytisk, medisinsk etc.) 24, 25 i vår grafenkrets som er vanskelig å oppnå i halvlederelektronikk.

metoder

Syntesen av GO (-)

I en typisk syntese ble 35 ml svovelsyre (98 vekt%) og 2, 60 g kaliumpermanganat nøye tilsatt i en isbadkjølt kolbe med 50 ml kommersielt tilgjengelig GO-løsning (4 mg ml -1, Graphenea Inc.) under konstant omrøring. 5 minutter senere ble blandingsoppløsningen oppvarmet til 35 ° C og holdt på å reagere i 3 timer 36 . 63 ml DI vann ble deretter helt inn i blandingen. 15 minutter senere ble ytterligere 200 ml DI vann og 3, 5 ml hydrogenperoksid (30 vekt%) tilsatt for å stoppe reaksjonen. Det gulaktige produktet vaskes grundig med 200 ml fortynnet saltsyre (3, 5 vekt%) i 5 ganger og dispergeres deretter i DI vann (150 ml, ca. 1, 0 mg ml -1, pH = 6). Denne ytterligere oksidasjonsprosedyren produserer GO med flere -COOH-grupper (tilleggsbilde 1). 1, 2 ml tetrametylammoniumhydroksyd (25 vekt%) ble til slutt tilsatt GO-løsningen for å deprotonere -COOH-grupper (0, 25 mg ml -1, pH = 10).

Syntese av GO (+)

En to-trinns prosedyre ble benyttet for å syntetisere positivt ladede GO'er 26, 27 (tilleggsbilde 2a). 60 mg protonert GO (den ovenfor reoksiderte), 6 ml N, N'- dimetyl-1, 3-propandiamin (99%) og 60 mg HATU (0- (7-Aza-lH-benzotriazol-l-yl ) -N, N, N ', N'- tetrametyluroniumheksafluorfosfat) ble først blandet og omsatt ved 65 ° C i 6 timer i 60 ml N, N- dimetylformamid (DMF). Dette trinn ble gjentatt i tre ganger for å sikre at flertallet av -COOH-grupper ble amidert. Deretter ble 500 ul saltsyre (36, 5%) og 5, 5 g 3-klor-1, 2-propandiol (98 vekt%) tilsatt i en vandig oppløsning av ovenfor amiderte GOs (50 ml, 1 mg ml -1 ). Blandingen ble oppvarmet til 85 ° C og holdt på å reagere i 7 timer under konstant omrøring og tilbakeløpskokning. De gråaktige produktene ble vasket med DI vann i 4 ganger og til slutt dispergert i DI vann (0, 25 mg ml -1 ).

Syntese av CNT (-) og CNT (+)

100 mg karboksylfunksjonalisert CNT-pulver (enkeltvegget karbonnanorør, 2/3 halvledende og 1/3 metallisk, Chengdu Organic Chemicals Co. Ltd) ble tilsatt i 100 ml blandet syreoppløsning (3 MH2SO4 og 3M HNO3 med 3 til 1 volumforhold) og tilbakeløpskokes i 2 timer ved 80 ° C under omrøring. Dette trinnet produserer CNT med flere -COOH grupper. Produktene ble samlet opp og vasket med DI vann i 5 ganger og deretter re-dispergert i DI vann ved hjelp av natrium deoksykolat og sonikering (0, 1 mg ml -1, pH = 6). For å produsere negativt ladede CNT, ble Tetramethylammoniumhydroksid bare brukt (pH = 10). For syntesen av positivt ladede CNTs ble den samme prosedyre med GO (+) anvendt mens Hexadecyltrimethylammoniumbromid (CTAB) ble tilsatt for å forbedre deres dispersitet.

Grafene på diodefabrikasjon

Grafen-p-dioden ble fremstilt ved laminering av to lag av motsatt ladede GO-lag. For å klargjøre GO-lag ble sonikatene av alle karbonløsninger sonikatisert (150 W) i 1 time. Gradient sentrifugering ble deretter brukt til å samle høyt dispergerte karbonløsninger. Konsentrasjonen av alle karbonmaterialer er ca. 0, 03 mg ml -1 . 15 ml CNT (-) ble først vakuum filtrert gjennom en blandet cellulosemembran (MCE, 0, 22 um i porestørrelse og 50 mm i diameter) og grundig vasket med 20 ml DI vann for å fjerne overflateaktive midler. 10 ml GO (-) ble deretter tilsatt. MCE-karbonfilmen ble avskallet og kuttet i ønskede stykker (15 mm x 10 mm) når alle karbonene ble tørket. MCE ble deretter fjernet ved å flyte filmen på DMF-løsningsmiddel i ca. 120 minutter og det negativt ladede GO-lag ble overført på det gjennomsiktige glideskinnet (20 mm × 14 mm). Laget ble endelig tørket ved bruk av nitrogengass. Dette gir et lag på ca. 20 nm CNTs og ca. 40 nm GOs (tilleggsbilde 16). Den samme prosedyre ble benyttet for fremstilling av positivt ladet GO-lag. Før laminering av to GO-lag ble platinatråder på 50 pm koblet til enden av CNT-elektroder. Disse brukes som ledninger for senere elektriske målinger. De to GO-lagene ble deretter laminert med en ansikt-til-ansiktskonfigurasjon. Denne enheten ble deretter pakket inn ved å bruke et gjennomsiktig tape og presset ved å bruke to stykker permanentmagnet (5 mm i diameter og 1 mm tykkelse) på baksiden av to substrater. For å hindre atmosfærisk fuktighet i å påvirke enhetens ytelse, var enheten innkapslet i polydimetylsiloksan. (Merk: hvert trinn skal opereres nøye).

Karakterisering og måling

Strukturen av karbonmaterialer ble karakterisert ved bruk av skanningelektronmikroskopi (SEM, Hitachi-SU8220) og transmisjonselektronmikroskopi (TEM, Tecnai G2 F20 U-TWIN). Sammensetningen av GOs ble evaluert ved hjelp av røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS, ESCALAB250Xi) og Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR, Spectrum One). Ultraviolett-synlig spektroskopi (UV-vis, Lambda 950) ble brukt til å evaluere lysoverføringskapasiteten. Zeta potensial er testet på Zetasizer Nano ZS. Overflatenes grovhet og tykkelse av karbonlag ble målt ved bruk av Dektak XT Stylus Profiling System. Ledningsevnen av karbonlag ble karakterisert ved en fire-probe-teknikk (MST 4145-B). Måling av grafen pn diode ble utført under omgivelsestilstand med en datamaskin-grensesnitt med høy presisjon elektrometer (Keithley 6517). For å kjøre logikk kretser ble en ekstra 6517 elektrometer påført.

Teori detaljer

Grafen pn-kryssdioden ble simulert ved å benytte en kontinuum-ladningstransportmodell, som kombinerte Nernst-Planck-diffusjon og Poisson's ligninger. Detaljer om denne modellen ble presentert i referanser 28, 29 . For enkelhet betraktet vi et dimensjonalt domene som inneholder fire regioner: CNT (-), GO (-), GO (+) og CNT (+). Vi antok at CNT-elektrodlaget (enten CNT (-) eller CNT (+)) er equipotential 37 og elektronene er fritt til å bevege seg ut eller inn i lagene. Akkumuleringen av mobile motjoner i CNT-lag ble forsømt. Strømmen av elektroner samt omplassering av ioniske ladninger gjennom lagene frembragte den elektriske strøm J. Den dimensjonsløse elektriske strømtetthet (\ (\ bar J \)) er gitt ved ligning (1)

$$ \ bar J = {\ int} {\ frac {1} {{2 \ bar L}} \ venstre [{- \ left ({- \ frac {{\ partial \ bar n _ {\ mathrm {e}} } {{\ partial \ bar x}} + \ bar n _ {\ mathrm {e}} \ frac {{\ partial \ bar u}} {{\ partial \ bar x}}} \ høyre) + \ mathop { \ {} \ limits_i {z _ {\ mathrm {i}} \ alpha _i \ beta _i} \ left ({- \ frac {{\ partial \ bar n _ {\ mathrm {i}}}} {{\ partial \ bar x}} + \ bar n _ {\ mathrm {i}} \ frac {{partial \ bar u}} {{\ partial \ bar x}}} \ right)} \ right]} {\ mathrm {d}} \ bar x $$

(1)

hvor \ (\ bar L = L / \ lambda \), representerer L tykkelsen på GO (+) og GO (-) lagene og \ {\ lambda = \ left [{\ frac {{varpsilon _0 \ varepsilon k_ { \ mathrm {B}} T}} {{e ^ 2 \ left ({n _ {\ mathrm {e}} ^ 0 + \ mathop {\ sum} \ limits_i {z _ {\ mathrm {i}} ^ 2n _ {\ mathrm {i}} ^ 0}} \ right)}}} \ right] ^ {1/2} \) er Debye-screeningslengden; n i og n e er talltettheten av mobile ioner og ledningselektroner henholdsvis, D i og D e er ion- og elektrondiffusivitetene, Z i er valensen av de mobile ionene, e er elementarladningen, k B er Boltzmann konstant, T er absolutt temperatur, du er det elektrostatiske potensialet, ε 0 er vakuum dielektrisk konstant, og e er relativ dielektrisk konstant; \ (\ alpha _i = \ frac {{n _ {\ mathrm {i}} ^ 0}} {{n _ {\ mathrm {e}} ^ 0}} \), \ (\ beta _i = \ frac {{D_ {\ mathrm {i}}}} {{D _ {\ mathrm {e}}}} \) og dimensjonsløse variablene er \ (\ bar n _ {\ mathrm {i}} = \ frac {{n _ {\ mathrm {\ n \ {\ mathrm {e}} = \ frac {{n _ {\ mathrm {e}}}} {{n _ {\ mathrm {e}} ^ 0}} \), \ {\ bar t = \ frac {{D _ {\ mathrm {i}} t}} {{lambda ^ 2}} \ (\ bar x = \ frac {x} {\ lambda} \), \ (\ bar u = \ frac {{ue}} {{k _ {\ mathrm {B}} T}} \); \ (n _ {\ mathrm {i}} ^ 0 \) og \ (n _ {\ mathrm {e}} ^ 0 \) er den opprinnelige talltettheten av ioner og elektroner henholdsvis. Parametrene vi brukte her er \ (n _ {\ mathrm {i}} ^ 0 = 1, 8 \ ganger 10 ^ {22} \, {\ mathrm {cm}} ^ {- 3} \), \ (n _ {\ mathrm {e}} ^ 0 = 2, 6 \ tider 10 ^ {20} \, {\ mathrm {cm}} ^ {- 3} \), Di = D e = 1, 0 × 10-9 cm 2 s -1, e = 4, 5. Koblingen Eqs. 28, 29 ble deretter løst ved bruk av en kommersiell, endelig elementløsning (COMSOL 5.1).

Datatilgjengelighet

Dataene som støtter resultatene av denne studien, er tilgjengelig fra de tilhørende forfattere på rimelig forespørsel.

bekreftelser

Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (21571039) og Det kinesiske vitenskapsakademiet. Forfatterne takker B. Tu og B. Lu for deres nyttige diskusjoner og støtter på modellering.

Elektronisk tilleggsmateriale

  1. Tilleggsinformasjon

kommentarer

Ved å sende inn en kommentar, godtar du å overholde våre vilkår og retningslinjer for fellesskapet. Hvis du finner noe fornærmende eller som ikke overholder våre vilkår eller retningslinjer, merk det som upassende.

Anbefalt Redaksjonens