近日，來自美國堪薩斯大學（KU）研究人員將石墨烯層與另外兩個原子層（二硒化鉬和二硫化鎢）連接起來，從而將石墨烯中激發電子的壽命延長了數百倍。這項研究可以高效地加速超薄和柔性太陽能電池的開發。

石墨烯是十年來最熱門的材料。僅在2017年，全球就發表了超過30,000份關於石墨烯的研究論文。

近日，來自美國堪薩斯大學（KU）物理學和天文學系的兩位研究人員，Hui Zhao教授和研究生Samuel Lane，將石墨烯層與另外兩個原子層（二硒化鉬和二硫化鎢）連接起來，從而將石墨烯中激發電子的壽命延長了數百倍。該發現將發佈在Nano Futures上，這是一份新發行的、高度選擇性的期刊。

KU的這項研究可以高效地加速超薄和柔性太陽能電池的開發。

對於電子和光電子應用，石墨烯具有優良的電荷傳輸性能。根據相關研究，電子在石墨烯中的移動速度是光速的1/30，比其他材料要快得多。這可能意味着石墨烯可以用於太陽能電池，太陽能電池將太陽能從陽光轉換成電能。但是石墨烯有一個很大的缺點，阻礙了這種應用，就是它激發電子的壽命超短(即電子保持移動的時間)，只有大約1皮秒(百萬分之一秒，或10-12秒)。

KU的研究員表示，以石墨烯爲工作材料實現太陽能電池高效率的最大挑戰之一就是釋放出的電子：“電子的數量，取決於他們在被光線解放後能夠保持移動的平均時間。在石墨烯中，電子僅在一皮秒內保持自由。這對於積累大量移動電子而言太短。這是石墨烯的固有特性，並且已經成爲將該材料應用於光伏或光敏器件的一個很大的限制因素。換句話說，儘管石墨烯中的電子可以通過光激發而變得可移動並且可以快速移動，但它們只能保持移動太短的時間來爲電力做出貢獻。“

新論文報告說，這個問題可以通過使用所謂的範德瓦爾斯材料來解決。他們的方法原則很容易理解。

爲了實現這一目標，他們在KU的超快激光實驗室工作，他們設計了一種三層材料，將單層MoSe2，WS2和石墨烯疊放在一起。

研究人員解釋說：“我們可以把MoSe2和石墨烯層想象成兩個滿是學生坐在一起的教室，而中間的WS2層則作爲分隔兩個房間的走廊。當光線照射到樣品上時，MoSe2中的一些電子被釋放出來。他們被允許穿過WS2層走廊進入另一個房間，這是石墨烯。然而，走廊經過精心設計，以便電子必須在MoSe2中離開座位。一旦進入石墨烯，他們別無選擇，只能保持移動，從而有助於電流，因爲他們的座位已不再可用。”

爲了證明這個想法是有效的，KU研究人員使用超短激光脈衝（0.1皮秒）來釋放MoSe2中的一些電子。通過使用另一個超短激光脈衝，他們能夠在這些電子移動到石墨烯時監測這些電子。他們發現這些電子平均在約0.5皮秒的“走廊”中移動。然後它們保持移動約400皮秒，比單層石墨烯提高了400倍，這也是他們在同一研究中測量的。

研究人員還確認，MoSe2中留下的“座位”在相同的時間內也空着。在原有狀態下，這些座位應永遠保持空虛。然而，在量子力學中，電子“隧道”回到這些座位。研究人員提出這個過程決定了移動電子的壽命。因此，通過選擇不同的“走廊”層，可以針對各種應用控制此時間。

該研究由美國國家科學基金會資助。

參考來源：美國堪薩斯大學

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