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NEW 徐衡卓教授，成功开发石墨烯（Graphene）催化剂二极管元件
- 2014-07-22
- 33422
2014-07-17
我校徐衡卓（能源系统学专业•新素材工学专业）教授和仁荷大学全基俊（环境工学专业）教授合作，成功地开发了‘石墨烯催化剂二极管元件’。这种二极管不仅能够利用负离子调节电阻，还能电解出氢元素，有希望应用于能源开发或者化学传感器的制作等多个领域。
研究成果以“Multi-resistive Reduced Graphene Oxide Diode with reversible Surface Electrochemical reaction induced Carrier Control”为题，在自然出版集团发行的刊物--科学报告(Scientific Report)， 7月10日的在线版上发表了。
科研团队发明的新式二极管是P类型的半导体--还原氧化石墨烯(RGO)和n类型硅胶半导体的结合。所谓的p类型是指正电荷电子空穴（hole）多的状态，n类型是指负电荷---电子(electron)多的半导体用语。这种二极管中使用的RGO是由单一的碳原子层许多层叠加在一起组成的厚度只有3-5纳米的超薄膜结构。
二极管是电子机器中必不可少的半导体元件，它使电流单向流动，电流和电压的大小成比例增加。但是，两位教授新发明的二极管的特别之处是，电压和电流量是不成比例。不到1V的电压下，电流会随电压增加，在1V和4V之间，电流量维持在一定的水平，当电压超过4V时电流量又增加，表现出多电阻二极管(multi-resistive diode)的特征。即，电阻不是按一定的比例增加或减少，而是按照电压的大小，表现出不同的电阻值，对电流量也产生影响。这是在普通二极管中几乎不可能发生的现象，其原因在于RGO超薄的厚度。
RGO是石墨烯的氧化状态，即在碳原子层结合石墨烯内部的一部分氧的状态。这种氧是和石墨烯结合不紧密的‘准稳定’状态下的电子，它可以在RGO的表面和内部比较自由地移动。对二极管加压的话，氧离子就会向远离相同负电位的硅胶半导体的方向移动，在RGO的表面集结，形成一种电子墙壁（Electron Block），起到妨碍电流流动的电阻膜的作用。因此，原本随电压的大小而增加的电流，在超过电压超过1V时，电流量不再增加而是维持在一定的水平。
但是，电阻不是和电压按照一定的比例持续增加的。当电压超过4V以上时，由于加速电压，会产生高能量的热电子(hot-electrons)，热电子会穿过RGO表面密集的氧离子墙壁。普通热电子的能量会转化为热量迅速消失，而新发明的二极管因为RGO非常薄，所以热电子可以维持热量穿过。通过的热电子可以电解RGO表面的水分（H₂O）形成氢和氢氧根离子（OH-）。在这个过程中，RGO的负电荷，即电子，被氢氧根离子夺走，产生的大量正电荷重新向负电位的硅胶半导体方向移动，从而电流增加。
徐衡卓教授说：“我们研发的二极管可以随意地调节电阻，控制电流，表现出一种多功能开关的功能。未来可以应用于IT元件或者化学传感器等领域”“最重要的是，用少量的能量可以分解水，产生氢，这一方法可以应用于新能源的开发。”
<图片说明>
1. 初始状态(Initial state) : 组成二极管的p类型 RGO和 n类型硅胶半导体的结合状态 及氧离子在 RGO内部自由移动的状态
2. Low Bias :加1~4V的电压时，氧离子在RGO的表面集结形成阻止电子通过的墙壁，电阻迅速增加。
3. High Bias : 加4V 以上的电压时，RGO表面的水分被分解，产生氢氧根(OH)和氧离子，这一过程中RGO上会产生电子空洞，电流从新开始流