创新点：动态二极管作为便携式微型化原位能源，具有高电流密度、低内阻以及无需整流电路等优势。浙大林时胜教授团队率先提出了垂直结构的石墨烯/硅动态二极管发电机，利用石墨烯长热电子寿命与载流子倍增特性，结合其异质结超快载流子分离过程，实现热电子的有效收集与利用，为进一步提升动态二极管性能提供了新思路。
关键词：动态二极管，发电机，载流子倍增，热电子输运，石墨烯
全球“碳中和”和“碳达峰”的发展战略对新型能源供应技术提出了新的需求，因此迫切需要发展可以收集太阳能、机械能或潮汐能的新型发电机。尤其是机械能作为环境中最丰富的清洁能源，不受环境位置以及时间的限制。然而常用的电磁发电机需要永磁体和线圈，限制了其微型化以及在可穿戴设备上的应用。近期发展的动态二极管发电机由于具有高电流密度、低内阻以及无需整流电路等优势，可以作为便携式、微型化、可集成、可再生的新型原位能源，满足物联网与可穿戴电子设备的微型化、高功率密度、轻质化、便携、柔性等需求。年，浙江大学林时胜课题组提出了动态二极管的物理概念且实现了半导体直流发电器件。然而动态二极管中反弹载流子在输运与收集过程中的能量损耗，其发电电压通常局限于0.1-1V，仍需要进一步提升才能实现应用。如何有效收集与利用这些热载流子，在进一步提升动态二极管发电性能中将起到至关重要的作用。另一方面，作为传统二维材料，石墨烯具有高载流子迁移率、零带隙、超导等特性。尤其是石墨烯具有超长的热电子寿命以及超强电子相互作用力，是探索热电子输运与载流子倍增的理想模型，因此石墨烯/半导体异质结是研究动态二极管中热载流子输运与收集的最佳平台。林时胜教授课题组此次提出了一种垂直结构的石墨烯/硅动态二极管发电机，并系统研究了异质结界面处热载流子的动力学过程，包括其产生、输运与收集过程。当石墨烯与硅接触的时候，电子从费米能级高的石墨烯扩散向硅，并在微秒级别内形成一个稳态的耗尽区，产生一个1.5V的电压输出；而当石墨烯与硅分离的时候，耗尽区内的载流子动态平衡被打破，扩散电荷分别反弹回石墨烯与硅，产生一个反向电压输出。其电压输出要高于石墨烯/硅异质结的势垒高度，验证了内建电场反弹下产生的热载流子被有效收集利用。
为了进一步提升发电机电学性能，文章对不同电阻率、面积以及压力等参数进行了系统研究。与金属或者硅等半导体衬底相比，石墨烯具有超长热电子寿命优势，应用于垂直结构石墨烯/硅异质结中可以有效提升热载流子收集利用效率。单层石墨烯被发现可以进一步减少动态二极管中的热载流子损耗，得到6.1V的电压输出以及.6nA的电流输出，这也进一步验证了热载流子被有效利用。其中，提升的开路电压是由石墨烯/硅异质界面超快的载流子输运过程导致，而提升的电流是由于石墨烯中俄歇过程中的载流子倍增效应引起。此外，通过系列的串联实验文章得到了17.5V的输出电压，足以满足一般应用场景下的可穿戴电子设备与系统的供电，这也揭示了其未来在自供电系统中作为发电芯片的潜在应用。尽管石墨烯与半导体之间的范德华作用力极强，垂直结构的石墨烯/硅动态二极管发电机显示出极佳的稳定性与持久性，在一个小时的持续工作中未表现出明显的性能衰减。
近年来，林时胜教授带领的高效发电与光电器件团队取得了一些重要研究成果，包括高效新型发电器件、高效太阳电池、高效自驱动光电探测等方向。团队率先提出了动态二极管发电机的概念与器件物理框架，授权了多项国家发明专利，本项工作进一步揭示了动态二极管中的载流子动力学过程，为进一步提升动态二极管发电机的性能提供了新的思路与途径。相关结果发表在AdvancedScience上。浙江大学博士后陆阳华博士为本文的第一作者，浙江大学林时胜教授为本文通讯作者。
WILEY
论文信息：
HotCarrierTransportandCarrierMultiplicationInducedHighPerformanceVerticalGraphene/SiliconDynamicDiodeGenerator
YanghuaLu,RunjiangShen,XutaoYu,DeyiYuan,HaonanZheng,YanfeiYan,ChangLiu,ZunshanYang,LixuanFeng,LinjunLi,andShishengLin*.
AdvancedScience
DOI:10./advs.
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