基于石墨烯的肖特基结辐射伏特同位素电池

李洪亮

东北核工业放射性物质检测有限公司 辽宁 沈阳110032

1 试验

1.1 硅衬底材料的处理 基于常规的石墨烯/硅肖特基结器件的设计,衬底采用带有80n m 厚的二氧化硅层的n型〈100〉Si片(厚度400μm,电阻率1～5Ω·c m),购于苏州晶矽电子科技有限公司。均匀裁剪成尺寸为13 mm×13 mm 的小样品后,利用缓冲氧化物(BOE)刻蚀液(质量分数49%HF水溶液与质量分数40%CH4F水溶液的体积比为1∶6)除去表面中间区域的氧化层,然后依次用丙酮、乙醇及去离子水冲洗干净后吹干备用。

1.2 石墨烯材料的处理 本实验中使用的两种石墨烯分别为单层石墨烯和少层(3～5层)石墨烯,且均为铜基石墨烯,购于合肥微晶材料科技有限公司。石墨烯采用湿法转移工艺转移至上述目标衬底上。将转移后的石墨烯/硅样品放置于热丙酮溶液中浸泡20 min,以除去石墨烯表面剩余的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)将除去PMMA后的石墨烯/硅样品置于发烟硝酸蒸气中1～2 min,制成硝酸掺杂石墨烯样品。同样,将除去PMMA后的石墨烯/硅样品按照湿法转移工艺实现石墨烯的多次转移,从而制备多层石墨烯样品。需注意的是,每次转移石墨烯前都需待前一次转移的石墨烯/硅样品干燥后再进行。

1.3 石墨烯/硅肖特基结辐射伏特同位素电池的制作及测试 实验中涂覆环状银浆与石墨烯接触形成上电极,背电极则采用涂刮铟镓合金与硅衬底接触,同时将整个器件固定于印制电路板(PCR)上,方便器件的转移与测试。环状银电极内的石墨烯面积即为电池有效工作面积。

通过暗环境下测量得到的J-V 曲线可分析肖特基结器件的二极管特性,从而获得器件的反向饱和电流密度(JO)、理想因子(n)、肖特基结势垒高度(φB)、串联电阻(Rs)和并联电阻(Rsh)等相关参数。在放射源环境下测量得到的J-V曲线与两坐标轴的交点分别为开路电压(Voc)和短路电流密度(Jcs)。当电池的输出功率达到最大时,对应于J-V 曲线上的最大功率点(Pm),其对应的电压和电流密度分别称为最大功率电压(Vm)和最大功率电流密度(Jm)。填充因子FF决定了电池的输出效应,通常被定义为电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值,表示为FF=(VmJm)/(VocJsc),石墨烯/硅肖特基结辐射伏特同位素电池的能量转换效率η定义为最大输出功率Pm 与放射源入射功率Pin的比值。

式中:q为单位电荷的电量;a为放射源活度(Ci);Eave为放射源衰变β粒子的平均能量(对于63Ni源,其值为17.6Ke V)。

2 分析与讨论

2.1 单层/少层石墨烯对换能单元性能的影响 暗环境下单层/少层的石墨烯/硅肖特基结换能单元器件的二极管特性。在零偏压下,少层石墨烯器件的暗电流相较于单层石墨烯器件低,说明适当增加石墨烯层数可以抑制器件的暗电流。对不同层数的石墨烯/硅器件在暗环境下的lnJ-V 特性曲线中的线性部分进行拟合,切线斜率为器件的理想因子。器件的基本性能参数见表1,从表中可知,单层石墨烯器件的理想因子为2.2,而少层石墨烯器件的理想因子为1.7,适当增加石墨烯的层数可以改善石墨烯/硅器件的理想因子,使器件的肖特基结特性得到提升。从表中可以进一步看出,单层石墨器件的反向饱和电流密度JO 为1.68×10-7/c m2,少层石墨器件的反向饱和电流密度JO为8.34×10-8A/c m2,器件暗电流测试结果几乎一致。因而,后续实验均采用少层石墨烯。不可忽视的是,通过实验得到的单层石墨烯与n型硅的势垒高度要高于理论计算的0.7～0.8e V,这主要是由于空气中的氧分子和水分子对石墨烯的自然P型掺杂结果造成的,说明对石墨烯进行掺杂可有效改善石墨烯的性能,提高其肖特基结的势垒高度。

表1 不同石墨烯层数的石墨烯/硅器件性能参数

2.2 多层石墨烯/硅肖特基结辐射伏特同位素电池器件性能的研究研究人员发现通过叠层转移石墨烯的方法可适当增加石墨烯的厚度,从而继续提高石墨烯的功函数及其载流子的输运能力,同时,适当降低器件有效面积,可以降低器件的串联电阻。基于此,为了进一步优化所制备的石墨烯/硅同位素电池器件的输出性能,将少层(3～5层)石墨烯经过不同次数的叠层转移并经过2 min硝酸掺杂,同时器件的有效受辐照面积由6 mm×6 mm减小为4 mm×4 mm。在相同的硝酸掺杂时间下,随着石墨烯转移次数的增加,石墨烯/硅器件在零偏压下的暗电流及反向饱和电流密度JO 都逐渐减小。

结语

①相较于单层石墨烯,适当增加石墨烯层数即采用少层石墨烯,器件的肖特基结特性得到一定的提升;②硝酸掺杂明显改善了石墨烯/硅肖特基结二极管的性能,相较于未经硝酸掺杂的器件,经过2 min硝酸掺杂的石墨烯/硅器件在63 Ni放射源的照射下,其短路电流密度提高了约60%。