CN111641275A - 石墨烯/单原子层GaS/GaAs无线电发电机及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电发电器件，公开了一种石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，经过硫化铵钝化的砷化镓衬底上形成一层单原子层GaS，其上再附着一层石墨烯，设第一电极以及边电极，石墨烯与砷化镓的单原子层硫化镓面之间直接接触形成异质结；本发明重点在于石墨烯与经过硫化铵钝化的砷化镓接触形成肖特基结，并形成肖特基势垒，其能收集发射源所发射的射频波(sub‑6G)，射频波的量子性质激发了石墨烯中的热电子，并发生隧穿过程形成电流。本发明将外界的射频波直接转换为直流电能，可以给可穿戴设备、传感器等电子设备随时随地提供电能。与传统的无线充电设备相比，本发电机更为灵活、效率较高，且器件结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线电发电机及其制备方法，尤其涉及一种石墨烯/单原子层GaS/砷化镓发电机及其制备方法，属于无线能源与无线传感领域。
背景技术
随着人工智能、无人机、可穿戴设备等领域的新兴发展以及物联网的普及，可随时随地获取原位能源的无线充电器件取得了广泛的关注。采用无线充电的方式对电池进行充电，有利于电池的长期运行，节省了大量的电池维护和更换工作。无线电能传输技术具有灵活便捷、安全可靠、非接触供电、易于控制及受外界影响较小等优点，从无线电波中获取能量，在今后有着很大的发展前景，也将成为解决问题的最优解答。
石墨烯材料在2004年首次被发现并制备并在2010年取得诺贝尔奖以后，其研究取得了更快的进展。更多的研究表明了石墨烯材料具有及其优异的电学、光学和机械性质，如极高的载流子迁移率、极高的透光率、高的杨氏模量和极强的柔韧性等。这些优异的性质使石墨烯吸引了广泛地的关注并进一步的应用于光电器件技术领域，包括光电探测器、太阳电池、光传感器等等。近年来，随着物联网和大数据的兴起，我们越来越需要对广泛分布的物联网传感器件进行无线充电。但目前研究还没涉及将无线电能源收集并转化为电能的石墨烯结构，大部分的研究只是涉及金属－绝缘体－金属的隧穿结构，但这个结构太难制备以及规模化集成，发明一种简单结构的无线充电器件将可以为物联网传感器件和设备提供便捷能量供给。
本发明提出的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓结构，旨在利用石墨烯的等离子体激元的激发以及石墨烯与砷化镓之间的量子隧穿过程，以收集并得到各频段的无线电能量。目前对无线电的收集设备主要依赖于金属绝缘体-金属隧道二极管耦合的集成天线，本发明创新地提出了一种无天线结构的无线电发电机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种响应度极高且制备工艺简单的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机及其制备方法。
本发明的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线电发电机，包括两个部分：一部分为砷化镓衬底，该砷化镓衬底经硫化铵钝化处理在其表面形成单原子层GaS，在砷化镓背面设有第一电极；另一部分为石墨烯二维材料，其一侧设有边电极，另一侧与砷化镓上的单原子层GaS直接接触形成异质结。
上述技术方案中，所述的第一电极与边电极均选自金、钯、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，厚度优选为1-500nm。
进一步的，所述的GaAs层优选采用阵列化设计，即在硫化铵钝化处理后其表面形成的GaS单原子层也呈现阵列化；本发明提出阵列化设计，可通过减少异质结之间的接触面积，提升器件截止频率，使载流子分离效率提高，并提高电磁波收集效率。同时阵列化将分隔的孤立小型器件进行串联，可提高电压输出。
制备上述的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线电发电机的方法，可以包括如下步骤：
(1)在砷化镓背面制作第一电极后，对砷化镓片子进行如下清洗操作：先用丙酮超声、去离子水清洗若干遍获得洁净的砷化镓衬底，随后用稀盐酸溶液除去氧化层，然后洗去稀盐酸，再用过氧化氢溶液氧化砷化镓表面，重复去氧化和氧化操作3-7次后用质量分数为15-20％的硫化铵溶液钝化砷化镓样品，最后用去离子水清洗完成。砷化镓表面被钝化形成硫化镓后，反应将不再进行，从而可以在砷化镓表面获得单原子硫化镓层。
(2)取旋涂了PMMA的铜基底石墨烯一片，裁剪为所需形状。将裁剪完毕的铜基底石墨烯放于铜箔刻蚀液的上表面。用载玻片将刻蚀完成的石墨烯+PMMA层转移到去离子水中清洗，转移清洗3-5次；
(3)将清洗完毕后的石墨烯转移到砷化镓正面，PMMA层朝上，自然风干后再烘干(可在105℃下烘15分钟)，去胶。最后在石墨烯表面制作边电极(如银胶)，引出导线便于后续测量。
本发明所述的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线电发电机中的单原子层GaS作为介电层，使得石墨烯与砷化镓之间的电子隧穿过程时间变短，以使石墨烯中激发的热电子迅速分离隧穿至砷化镓中。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
采用无线充电的方式对电池进行充电，节省了大量局限于有线充电的维护工作，更有利于电池的长期运行。因此，从RF波中获取能量已经成为最有希望的解决方案，为无线传感器应用提供所需的微功率，尤其是在广泛分布的4G网络中。通过利用石墨烯与砷化镓之间的量子隧穿过程，论证并测量到了从915MHz无线源获取能量的可行性，其中方向由入射电磁波的量子性质激活石墨烯中的电子流动决定。石墨烯受到RF波的影响后会发生等离子体激元的激发以及石墨烯与砷化镓接触形成肖特基异质结，载流子从石墨烯发生量子隧穿到砷化镓，所以可直接将石墨烯收集得到的能量转化为电能输出而不需要天线。该发电机可以在多模式下工作，可以同时从空中不同的无线能量流中获取能量。这项研究将为利用超快量子隧穿过程进行无线采集开辟新的途径。
附图说明
图1为石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机的结构示意图。
图2为石墨烯/砷化镓异质结的能带示意图。
图3为石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机在发射源(在图中为A)开关状态下的电流变化曲线。
图4为添加有PEDOT:PSS层的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机在发射源(在图中为A)开关状态下的电流变化曲线。
图5为对石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机的砷化镓进行阵列化设计的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，先将N型掺杂的砷化镓用硫化铵钝化，得到砷化镓层1和硫化镓层2；在砷化镓层1背面制作一定区域的第一电极3；将石墨烯转移到砷化镓上，所述的石墨烯层4的面积小于砷化镓的面积；再在石墨烯层4表面制作一定区域的边电极5，得到石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，当发射源开启即可得到直流电输出。本发明重点在于石墨烯与经过硫化铵钝化的砷化镓接触形成肖特基结，并形成肖特基势垒，其能收集发射源所发射的射频波(sub-6G)，射频波的量子性质激发了石墨烯中的热电子，并发生隧穿过程形成电流。石墨烯/砷化镓异质结的能带示意图如图2所示，在发射源开启情况下即有射频波，在石墨烯中激发产生热电子，电子发生隧穿过程进入砷化镓中形成电流。本无线发电机将外界的射频波直接转换为直流电能，可以给可穿戴设备、传感器等电子设备随时随地提供电能。与传统的无线充电设备相比，本发电机更为灵活、效率较高，且器件结构简单。
实施例1：
1)在砷化镓背面制作第一电极(钛金)后，对砷化镓片子进行如下清洗操作：先用丙酮超声清洗5分钟后用去离子水清洗三遍，随后用稀盐酸溶液除去氧化层，然后洗去稀盐酸，再用过氧化氢溶液氧化砷化镓表面，重复去氧化和氧化操作3-7次后用18％的硫化铵溶液钝化砷化镓样品，最后用去离子水清洗完成；
2)取旋涂了PMMA的铜基底石墨烯一片，大小裁剪为0.5cm×0.5cm规则形状。将裁剪完毕的铜基底石墨烯放于铜箔刻蚀液的上表面。用载玻片将刻蚀完成的石墨烯+PMMA层转移到去离子水中清洗，转移清洗3-5次；
3)将清洗完毕后的石墨烯转移到砷化镓正面，PMMA层朝上，自然风干后在105℃下烘干15分钟，去胶。最后在石墨烯表面制作边电极(银胶)，引出导线便于后续测量。
所述的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，在开启发射源输入RF波即可整流输出直流电。图3为对本例制得的无线发电机在不开启发射源和开启915MHz发射源情况下时间间隔约15s连续测得的电流值变化曲线，可以看出在暗态无发射源下，该发电机的暗态电流极小，大约为10-9至10-8A级别，当开启发射源时，产生的直流电流达到10-8至10-7A级别。
实施例2：
1)在砷化镓背面制作第一电极(Ti/Au)后，对砷化镓片子进行如下清洗操作：先用丙酮超声清洗5分钟后用去离子水清洗三遍，随后用稀盐酸溶液除去氧化层，然后洗去稀盐酸，再用过氧化氢溶液氧化砷化镓表面，重复去氧化和氧化操作3-7次后用12％的硫化铵溶液钝化砷化镓样品15分钟，最后用去离子水清洗完成；
2)取旋涂了PMMA的铜基底石墨烯一片，大小裁剪为0.5cm×0.5cm规则形状。将裁剪完毕的铜基底石墨烯放于铜箔刻蚀液(石墨烯面朝上)。用载玻片将刻蚀完成的石墨烯+PMMA层转移到去离子水中清洗，转移清洗3-5次；
3)将清洗完毕后的石墨烯转移到砷化镓正面，PMMA层朝上，自然风干后在105℃下烘干15分钟，去胶。最后在石墨烯表面制作边电极(使用银胶)，引出导线便于后续测量。
本例制得的无线发电机在不开启发射源和开启915MHz发射源情况下时间间隔约15s连续测得的电流值变化曲线与图3基本一致，在暗态无发射源下，该发电机的暗态电流极小，大约为10-9至10-8A级别，当开启发射源时，产生的直流电流达到10-8至10-7A级别。
实施例3：
1)在砷化镓背面制作第一电极(Ti/Au)后，对砷化镓片子进行如下清洗操作：先用丙酮超声清洗5分钟后用去离子水清洗三遍，随后用稀盐酸溶液除去氧化层，洗去稀盐酸再用过氧化氢溶液氧化砷化镓表面，重复去氧化和氧化操作3-7次后用18％的硫化铵溶液钝化砷化镓样品30分钟，最后用去离子水清洗完成；
2)取旋涂了PMMA的铜基底石墨烯一片，大小裁剪为0.5cm×0.5cm规则形状。将裁剪完毕的铜基底石墨烯放于铜箔刻蚀液(石墨烯面朝上)。用载玻片将刻蚀完成的石墨烯+PMMA层转移到去离子水中清洗，转移清洗3-5次；
3)将清洗完毕后的石墨烯转移到砷化镓正面，PMMA层朝上，自然风干后在105℃下烘干15分钟，去胶。最后在石墨烯表面制作边电极(使用银胶)，引出导线便于后续测量。
本例制得的无线发电机在不开启发射源和开启915MHz发射源情况下时间间隔约15s连续测得的电流值变化曲线与图3基本一致，在暗态无发射源下，该发电机的暗态电流极小，大约为10-9至10-8A级别，当开启发射源时，产生的直流电流达到10-8至10-7A级别。
实施例4：
1)在砷化镓背面制作第一电极(Ti/Au)后，对砷化镓片子进行如下清洗操作：先用丙酮超声清洗5分钟后用去离子水清洗三遍，随后用稀盐酸溶液除去氧化层，洗去稀盐酸再用过氧化氢溶液氧化砷化镓表面，重复去氧化和氧化操作3-7次后用18％的硫化铵溶液钝化砷化镓样品30分钟，最后用去离子水清洗完成；
2)取旋涂了PMMA的铜基底石墨烯一片，大小裁剪为0.5cm×0.5cm规则形状。将裁剪完毕的铜基底石墨烯放于铜箔刻蚀液(石墨烯面朝上)。用载玻片将刻蚀完成的石墨烯+PMMA层转移到去离子水中清洗，转移清洗3-5次；
3)将清洗完毕后的石墨烯转移到砷化镓正面，PMMA层朝上，自然风干后在105℃下烘干15分钟，去胶。最后在石墨烯表面制作边电极(使用银胶)，引出导线便于后续测量。
本例制得的无线发电机在不开启发射源和开启915MHz发射源情况下时间间隔约15s连续测得的电流值变化曲线与图3基本一致，在暗态无发射源下，该发电机的暗态电流极小，大约为10-9至10-8A级别，当开启发射源时，产生的直流电流达到10-8至10-7A级别。
实施例5：
1)在砷化镓背面制作第一电极(钛金)后，对砷化镓片子进行如下清洗操作：先用丙酮超声清洗5分钟后用去离子水清洗三遍，随后用稀盐酸溶液除去氧化层，然后洗去稀盐酸，再用过氧化氢溶液氧化砷化镓表面，重复去氧化和氧化操作3-7次后用15％的硫化铵溶液钝化砷化镓样品，最后用去离子水清洗完成；
2)将PEDOT:PSS溶液以一定的转速旋涂到砷化镓衬底表面并全部覆盖，形成高分子层。
3)取旋涂了PMMA的铜基底石墨烯一片，大小裁剪为0.5cm×0.5cm规则形状。将裁剪完毕的铜基底石墨烯放于铜箔刻蚀液的上表面。用载玻片将刻蚀完成的石墨烯+PMMA层转移到去离子水中清洗，转移清洗3-5次；
4)将清洗完毕后的石墨烯转移到砷化镓正面即高分子层上，其中PMMA层朝上，自然风干后在105℃下烘干15分钟，去胶。最后在石墨烯表面制作边电极(银胶)，引出导线便于后续测量。
所述的石墨烯/PEDOT:PSS/砷化镓无线发电机，在石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机的基础上进行了优化。在两层之间加上PEDOT:PSS高分聚合物，作为空穴传输层，提高了载流子的运输效率，达到了增加输出直流电流大小从而提高输出效率的目的，如图4所示，所得电流相较无PEDOT:PSS层增大一倍左右。
Claims (7)
1.石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，其特征在于，该无线发电机包括两部分：一部分为砷化镓层(1)，所述砷化镓层(1)经过硫化铵钝化处理，在其表面形成单原子层硫化镓(2)，砷化镓层(1)背面设有第一电极(3)；另一部分为石墨烯层(4)，其一面与砷化镓层(1)的单原子层硫化镓面直接接触形成异质结，另一面设有边电极(5)，所述的边电极(5)面积小于石墨烯层(4)，第一电极(3)面积小于砷化镓层(1)。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，其特征在于，所述的石墨烯层为单层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，其特征在于，所述的第一电极与边电极均选自金、钯、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，其特征在于，所述的砷化镓层为N型掺杂的砷化镓。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，其特征在于，所述的砷化镓层经硫化铵钝化处理过程为：对洁净的砷化镓片采用稀盐酸溶液除去氧化层，洗净后再用过氧化氢溶液氧化砷化镓表面，重复去氧化和氧化操作3-7次后，用质量分数为15-20％的硫化铵溶液钝化砷化镓样品，最后用去离子水清洗完成。
6.根据权利要求1所述的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，其特征在于，所述的石墨烯与单原子层GaS之间还设置有PEDOT:PSS层。
7.根据权利要求1所述的石墨烯/单原子层GaS/砷化镓无线发电机，其特征在于，所述的GaAs层采用阵列化设计。
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