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离子液体用于增强三维微孔石墨烯的光热电转换

2021-03-22 13:34:45  来源: 离子液体

远红外或太赫兹(THz)的电磁波谱在背景辐射中占据了的很大一部分,其在深空探测、人员扫描以及能量转换和存储中具有潜在应用。人们在努力开发将这种辐射转换成电能的技术。光热电效应(PTE)是一种很有发展前景的物理机制,能够有效地在光、热、电之间进行能量转换,由于不需要光激发载流子,而是通过热载流子的扩散产生电能,在获取低能量光子方面具有独特的优势。

  目前的研究发现三维微孔石墨烯(3DMG)泡沫具有较大的温差(ΔT)而具有PTE响应。3DMG泡沫是由相互连接且随机取向的石墨烯片组装而成,其具有超轻的质量和出众的吸光率。然而,3DMG的塞贝克系数(S)相对较小,限制了其PTE性能。由于3DMG泡沫的无序性和多孔性,很难优化其S以增强其PTE性能。

  近年来,离子液体(ILs)基电双层晶体管(EDL)受到了广泛的关注,利用ILs作为栅极电介质,可以获得极高的载流子密度和较宽的费米能量调谐范围,可实现对超导性、相变、光吸收、热发射等物理性质的调节。同时由于ILs具有良好的流动性,ILs电解质的EDL门控可用于制备具有多孔结构的2d材料。

  基于此南开大学的黄毅等人以ILs为门控,制备了基于EDL的3DMG泡沫的PTE器件,该器件具有较高的S和良好的THz PTE响应度。

  研究人员采用溶剂热法制备了3DMG,再通过退火处理,去除3DMG中的含氧官能团,使其恢复石墨烯的共轭结构。通过SEM发现该3DMG泡沫由具有多孔网状结构的2D石墨烯片组成。其孔隙率大于99%,质量密度超轻,约为1 mg cm-3,因此总热容非常小,这也有利形成较大的ΔT。同时3DMG中连通的孔道为ILs的填充和流动提供了空间。

  3DMG晶体管的传输曲线显示出滞后行为,这是由于离子的缓慢运动和积累以及明显的双极性特性所致,这与石墨烯晶体管的结果一致。当栅极偏置电压为0 V时,T180和T1000的S值分别为23.2和-11.2 μV K–1。通过调整栅极偏置电压,S得到了明显的提高。说明了EDL结构的对S具有较大影响。一般情况下,多孔材料由于孔隙率大,其导电性远低于相应的块状和二维材料,对热电功率因数产生固有的负面影响。然而,高多孔结构通常伴随着相当低的导热系数,从而提升了热电性能。

  研究人员将THz激光从器件的背面入射,减少ILs吸收的影响,并聚焦到通道的负端,从而在两端形成温差。光照时,I-V曲线发生刚性偏移,这是PTE效应的典型特征,并产生开路电压。在2 V栅极偏压下获得正光电压,其通道被掺杂为p型,当栅极偏压从负向正增大时,通道被掺杂为n型,光电压由正向负变化。通过将∆T和S相乘,可以栅极偏压对PTE响应性的影响,其曲线形状与实验曲线相似,但幅度较小。一个可能的原因可能是测得的ΔT低于其实际值。

  研究人员开发了具有p–n通道的双电池EDL设备,以进一步改善PTE响应,根据得到的ΔS研究人员绘制出该EDL设备光响应度。光响应度表现出对栅极偏置电压的类似依赖性,这进一步证明了多孔石墨烯材料中PTE效应的增强确实归因于其电子带结构的有效调整,由此在EDL门控下产生了热电性能。同时研究人员还发现M点的PTE响应度高达137.2 mV W–1,与单电池设备相比,该双电池EDL设备可以有效地增强PTE效果。

  综上所述,研究人员以ILs为门控,制备了基于EDL的3DMG泡沫的PTE器件。作为THz PTE材料的有希望的候选者,3DMG泡沫具有优良的THz热转换性能,还也可以通过EDL门控优化其热电性能。EDL技术为控制二维纳米片组装的多孔材料的热电特性提供可能。


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