惊奇的发现！当石墨烯遇上钙钛矿

在氧化物钙钛矿中，晶界效应是限制其半导体电子性能的一个致命因素。多晶氧化物钙钛矿的电子迁移率往往和单晶氧化物钙钛矿相差几个数量级。来自英国剑桥大学，美国西北大学，和英国曼彻斯特大学的一项最新研究表明，石墨烯能够消除多晶氧化物钙钛矿中的晶界效应，使其具有媲美单晶的电子传输行为。相关论文以题为“Graphene/Strontium Titanate: Approaching Single Crystal-Like ChargeTransport in Polycrystalline Oxide Perovskite Nanocomposites through GrainBoundary Engineering” 于2020年2月3日发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201910079

氧化物钙钛矿具有许多卓越的性能：例如高温超导性，铁电性，铁磁性。这些性能使其在热电，催化，燃料电池和太阳能电池中有着广阔的应用前景。在上述应用中，高电子迁移率是最重要的指标之一。比起制作过程复杂且价格昂贵的单晶，物美价廉的多晶在现实应用中更具有吸引力，然而低迁移率却成为了多晶氧化物钙钛矿在实际应用中“卡脖子”的关键因素之一。

在这项工作中，研究人员展示了石墨烯的加入能够显著的提高氧化物钙钛矿的导电率。通过一种有效质量模型的分析，研究人员惊奇的发现石墨烯/多晶氧化物钙钛矿复合材料具有比拟单晶的电子传输行为。

STO及其掺入石墨烯的纳米复合材料的结构表征。

有效质量模型降低了分析电子传输行为的复杂性，使得研究者能够定量的比较单晶和复合物的传输行为。通过分析发现这种多晶复合材料中单晶电子传输行为产生的可能的原因在于石墨烯能够有效增加多晶晶界中的氧空位，从而消除晶界效应。

有效质量模型揭示结构多晶的石墨烯/氧化物钙钛矿复合材料具有单晶才有的电子迁移行为。

在热电能源材料的应用中，石墨烯已经被证明能有效降低热电材料的热导率，这项研究成果显示在氧化物钙钛矿中加入石墨烯可能成为创造“声子玻璃-电子晶体”的有效手段。同时，石墨烯/氧化物钙钛矿的复合策略为发展以燃料电池和太阳能电池为应用目的的高性能氧化物钙钛矿提供了一种新的思路和广阔应用前景。