[发明专利]石墨烯/单原子层GaS/GaAs无线电发电机及其制作方法

说明书

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。

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。