2015-7-25

石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室温和普通光照射下，就可以发生热载流子效应，产生电流。这一发现不仅为石墨烯再添新奇属性，更有希望使其在太阳能电池、夜视系统、天文望远镜及半导体传感器等应用领域发挥作用。热载流子效应并不新奇，但通常情况下，需要在接近绝对零度或在极强的激光照射下才会发生，但石墨烯却表现出在室温和普通光下就可以产生热载流子效应的性能，这让人们对石墨烯未来的应用产生了巨大的想象空间。当光照在石墨烯上时，可以产生两个具有不同电气特性的区域，进而出现温差，产生电流。石墨烯在激光照射加热不一致时，携带电流的电子被加热，而晶格中的碳原子核保持低温。正是由于石墨烯内部的温差，产生了电流。这种不同寻常的机制就称为热载流子效应。

研究人员在实验室制造了复杂的石墨烯纳米 P-N结，利用 850纳米的激光照射石墨烯 P-N结界面，并测量激光照射点产生的光电流。结果发现，随着激光强度的增加，特别是在低温的条件下，可取得最大为 5 毫安/瓦（mA/W）的光电流，这一数值比以前的石墨光电器件高 6倍。研究人员认为，石墨烯之所以会产生上述现象，是由于大多数材料的过热电子可将能量传递到周围晶格，而石墨烯则需要很高的能量才能振动其晶格的碳原子核，因此只有很少的电子能将热能转移到晶格。中国科学院透过实验证实当材料中电子驰豫过程随温度发生显着变化时（反映在电子迁移率或粒子寿命的温度变化上），材料会产生一个额外的，不依赖于费米面状态的 Seebeck信号。这个效应的符号和大小与能带结构没有直接关系，其物理来源是电子驰豫过程的温度非对称性。

Seebeck效应，又称热电效应，是指一种材料中存在温度梯度时，会产生相应的电压差的现象。Seebeck效应和材料的电子结构密切相关，其大小和随外界条件的变化反映了材料费米能附近电子态密度的非对称性结构。除了基础物理方面的研究意义以外，目前国际上对Seebeck效应的关注更多地集中在其应用价值上，即热电材料的应用。利用温度差和电势差的相互关系，热电材料可以应用在温差发电或固态制冷方面，作为一种新型的能源材料正在受到广泛的关注。为了进一步提高材料的 Seebeck系数，该领域当前的研究主流是以能带计算为基础，寻找能带结构更合理的新型材料和低维材料。

热电现象指的是当电子和空穴响应于温度梯度而在材料中移动时发生的热和电之间的可逆的直接能量转换。Seebeck现象包括 Peltire效应和 Thomson效应。Peltire效应用于冷却系统中并基于响应于所施加的电流而提供在材料的相反两端的温差， Thomson效应用于发电系统中以根据材料的相反两端之间的温差提供电动势。在固态制冷方面，由于半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器，热电制冷器的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、Seebeck效应、Peltire效应和 Thomson效应。一般的冷气与冰箱运用氟氯化物当冷媒，造成臭氧层的被破坏。无冷媒冰箱 (冷气) 因而是环境保护的重要因素，利用半导体之热电效应，可制造一个无冷媒的冰箱。这种发电方法是将热能直接转变成电能，其转变效率受热力学第二定律即卡诺效率 (Carnot efficiency)的限制。

此外，相较于其他能量采集技术，太阳能电池已属较为成熟的技术，不过仍有其瓶颈须克服，其中一个问题是，太阳能电池必须不断处于光照环境下才能持续发电，若装置被遮蔽例如被衣袖遮盖则无法发电。对于穿戴式装置来说，人体体温可视为热的一端，而周遭环境则属于冷的一端，如此就能形成热电采集所需的温差环境，而产生能量的多寡则取决于温差大小值。由 Peltire帖组件可以收集较多的能量，因此对于电力需求较高的穿戴式装置来说，是较具发展潜力的能量采集技术。此外，热电采集另一优势是只要装置紧贴皮肤，无论室内或室外、白天或黑夜，能源都可以源源不绝。压电采集的方式是将振动或冲击的机械能转换为电能，在压电效应的关系下，当压电组件由机械力学操纵时就会产生微弱的电流。对于穿戴式装置而言，压电组件的设计通常是透过走路、呼吸、手腕移动等方式的振动来产生电力。