CN105720127A - 基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机，包括半导体衬底、第一电极、第二电极、两块绝缘层、石墨烯；第一电极和第二电极均位于半导体衬底上，且各电极与上述衬底之间均分别被一块绝缘层隔离，石墨烯覆盖于最上方，与第一电极、第二电极以及位于两电极之间的半导体衬底均接触，所述的第一电极、第二电极为功函数不同的金属电极。本发明的石墨烯/半导体异质结多功能发电机能够同时从太阳光和水流的动能之中获取电能，具有实用价值。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯纳米发电领域，涉及一种多功能发电机及其制造方法，尤其涉及一种基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机及其制造方法。
背景技术
一直以来发电方式主要是水力发电、火力发电、化学能发电、核燃料发电等，这些发电方式承担着人们生活中大部分的电能消耗。然而，这些发电方式不仅消耗大量的自然资源，还会造成大量的污染。在过去的几十年里，由于过于猛烈的化石燃料的消耗，全球变暖和气候的变化已经成为了最重要的环境问题，并且由于化石燃料的有限特征，传统的发电方式所需要的代价会越来越大。因此，对可再生和低碳排放能源的追寻也变得越来越重要。
纳米发电机，一种能够将环境中不同的能源(如太阳能、热能、机械振动、水流能等)转换成电能的新发明，满足以上的要求且越来越受到人们的关注。石墨烯，碳的单原子层结构的二维材料，自从2004年首次被稳定制备出来以后，引起了广泛的研究，表现出了优异的电学、光学性质，如极高的载流子迁移率、对外部刺激的极高敏感性、高的杨氏模量等。这些独特的性质使得石墨烯在从环境中收集能源方面具有很大的潜力。目前，已有研究者利用石墨烯以及硅材料形成的异质结做成太阳电池，测得最高转化效率15.6％。这个效率与目前晶体硅太阳电池单晶硅主流成产效率18.5％～19.0％相比还比较低。石墨烯砷化镓异质结太阳能电池的效率已经达到18.5％。此外，还有研究者利用石墨烯从水流动的过程中获取了量级在毫伏的电压，这个效率已经能够满足某些纳米器件的要求。但是同时收集太阳能和水流的机械能的基于石墨烯的装置还很少被研究。结合两种发电机制可以从人类日常生活中更灵活的获取电能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机及其制备方法，该发电机结构简单、可同时从太阳能和水流动的机械能中获取电能。
本发明的基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机，包括半导体衬底、第一电极、第二电极、两块绝缘层、石墨烯；第一电极和第二电极均位于半导体衬底上，且各电极与上述衬底之间均分别被一块绝缘层隔离，石墨烯覆盖于最上方，与第一电极、第二电极以及位于两电极之间的半导体衬底均接触，所述的第一电极、第二电极均为金属电极，且第一电极功函数大于本征石墨烯的功函数4.6eV，第二电极功函数小于4.6eV。
所述的绝缘层为氧化铝、氧化硅、氮化硅、氧化钛、碳化硅、氮化铝。
所述的半导体衬底为砷化镓片或n型或p型的硅片。
制造上述的基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机的方法，包括如下步骤：
1)去除半导体衬底表面的自然氧化层；
2)采用光刻及电子束蒸发的方法在上述硅衬底表面制作两块绝缘层，两绝缘层之间硅衬底裸露；
3)采用光刻及电子束蒸发的方法在两绝缘层上分别制备第一电极和第二电极，具体为：在步骤2)所得样品上制作掩膜层，并在一块绝缘层上光刻一掩模窗口，采用电子束蒸发法制备一种金属层，去除掩膜层，获得第一电极，再在整个样品上制作掩膜层，并在另一绝缘层上开一掩模窗口，采用电子束蒸发法制备另一种金属层，去除掩膜层，获得第二电极；
4)将石墨烯转移到步骤3)所得样品上，使得石墨烯与第一电极、第二电极以及位于两电极之间的半导体衬底均接触，得到基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1、该石墨烯/半导体异质结多功能发电机能够在石墨烯的二维片面内获取电能，属于横向的发电装置，与传统半导体的平面工艺具有很大的兼容性。
2、该石墨烯/半导体异质结多功能发电机能够同时从太阳能和水流动的机械能中获取电能，使得该发电装置具有更好的应用性。
附图说明
图1为石墨烯/半导体异质结多功能发电机的结构示意图；
图2为石墨烯/硅异质结多功能发电机纵向能带和横向能带示意图；
图3为石墨烯/硅异质结多功能发电机在被太阳光照射时的电流电压曲线；
图4为石墨烯/硅异质结多功能发电机在被光照射时同时收集水流的动能的电压曲线。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1，本发明的基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机，包括半导体衬底1、第一电极3、第二电极4、两块绝缘层2、石墨烯5；第一电极3和第二电极4均位于半导体衬底1上，且各电极与上述衬底之间均分别被一块绝缘层2隔离，石墨烯5覆盖于最上方，与第一电极、第二电极以及位于两电极之间的半导体衬底均接触，所述的第一电极、第二电极均为金属电极，且第一电极3功函数大于4.6eV，第二电极4功函数小于4.6eV。
实施例1
1)先将n型硅片浸入氢氟酸中5分钟，去除掉表面的氧化层；
2)通过光刻在硅片中间做出的一个宽为2cm的掩膜区域。
3)采用电子束蒸发，在光刻过后的硅片上生长80nm厚度的Al2O3绝缘层。
4)将样品放入丙酮中去掉光刻掩膜层，得到一个中间有一个宽2cm空白区域但左右两端都有一层80nm厚度的Al2O3绝缘层的硅衬底。
5)再通过光刻在一端绝缘层上做大小为宽0.5cm×长1.5cm的掩膜窗口，后通过电子束蒸发生长厚度为60nm的金属金(Au)。
6)将样品放入丙酮中去掉光刻掩膜层，在一端的绝缘层上获得0.5cm×1.5cm大小的金电极，同样的方法在另一端绝缘层上生长厚度为60nm的金属银(Ag)电极。
7)将上述处理后的样品依次经过丙酮、异丙醇各清洗5分钟，然后将单层石墨烯转移到该样品上，使石墨烯与两个不同的金属电极以及两电极间的n型硅衬底都有接触，得到石墨烯/硅异质结多功能发电机，其纵向和横向的能带示意图见图2，由图可见两个功函数不同的金属电极使得能够从石墨烯平面内获取收集太阳能，该发电机被太阳光照射时的电流电压曲线如图3所示，在被光照射时同时收集水流的动能的电压曲线如图4所示。
实施例2
1)先将n型砷化镓片浸入盐酸中5分钟，去除掉表面的氧化层；
2)通过光刻在砷化镓片中间做出的一个宽为0.5cm的掩膜区域。
3)采用电子束蒸发，在光刻过后的硅片上生长80nm厚度的AlN绝缘层。
4)将样品放入丙酮中去掉光刻掩膜层，得到一个中间有一个宽0.5cm空白区域但左右两端都有一层80nm厚度的AlN绝缘层的砷化镓衬底。
5)再通过光刻在一端绝缘层上通过光刻做大小为宽×长(0.5cm×1.5cm)的掩膜窗口，后通过电子束蒸发生长厚度为60nm的金属镍(Ni)。
6)将样品放入丙酮中去掉光刻掩膜层，得到一个在一端的绝缘层上有0.5cm×1.5cm大小的金电极的样品，同样的方法在另一端绝缘层上生长厚度为60nm的金属银(Ag)电极。
7)将上述处理后的样品依次经过丙酮、异丙醇各清洗5分钟，然后将单层石墨烯转移到得到的样品上，使石墨烯与两个不同的金属电极以及两电极间的砷化镓衬底都有接触，得到该石墨烯/砷化镓异质结多功能发电装置。
实施例3
1)先将p型硅片浸入氢氟酸中5分钟，去除掉表面的氧化层；
2)通过光刻在硅片中间做出的一个宽为2cm的掩膜区域。
3)采用电子束蒸发，在光刻过后的硅片上生长80nm厚度的SiNx绝缘层。
4)将样品放入丙酮中去掉光刻掩膜层，得到一个中间有一个空白区域3cm但左右两端都有一层80nm厚度的SiNx绝缘层的硅衬底。
5)再通过光刻在一端绝缘层上通过光刻做大小为宽×长(0.5cm×1.5cm)的掩膜窗口，后通过电子束蒸发生长厚度为60nm的金属镍(Ni)。
6)将样品放入丙酮中去掉光刻掩膜层，得到一个在一端的绝缘层上有0.5cm×1.5cm大小的镍电极的样品，同样的方法在另一端绝缘层上生长厚度为60nm的金属铝(Al)电极。
7)将上述处理后的样品依次经过丙酮、异丙醇各5分钟清洗，然后将单层石墨烯转移到得到的样品上，使石墨烯与两个不同的金属电极以及两电极间的p型硅衬底都有接触，得到石墨烯/硅异质结多功能发电机。
Claims (4)
1.一种基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机，其特征在于，包括半导体衬底(1)、第一电极(3)、第二电极(4)、两块绝缘层(2)、石墨烯(5)；第一电极(3)和第二电极(4)均位于半导体衬底(1)上，且各电极与上述衬底之间均分别被一块绝缘层(2)隔离，石墨烯(5)覆盖于最上方，与第一电极、第二电极以及位于两电极之间的半导体衬底均接触，所述的第一电极、第二电极均为金属电极，且第一电极(3)功函数大于4.6eV，第二电极(4)功函数小于4.6eV。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机，其特征在于，所述的绝缘层(2)为氧化铝、氧化硅、氮化硅、氧化钛、碳化硅、氮化铝。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机，其特征在于，所述的半导体衬底(1)为砷化镓片或n型或p型的硅片。
4.制造权利要求1所述的基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)去除半导体衬底表面的自然氧化层；
2)采用光刻及电子束蒸发的方法在上述硅衬底表面制作两块绝缘层，两绝缘层之间硅衬底裸露；
3)采用光刻及电子束蒸发的方法在两绝缘层上分别制备第一电极和第二电极，具体为：在步骤2)所得样品上制作掩膜层，并在一块绝缘层上光刻一掩模窗口，采用电子束蒸发法制备一种金属层，去除掩膜层，获得第一电极，再在整个样品上制作掩膜层，并在另一绝缘层上开一掩模窗口，采用电子束蒸发法制备另一种金属层，去除掩膜层，获得第二电极；
4)将石墨烯转移到步骤3)所得样品上，使得石墨烯与第一电极、第二电极以及位于两电极之间的半导体衬底均接触，得到基于石墨烯/半导体异质结的多功能发电机。
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