正文
垂直石墨烯/铌酸锂DDG的工作状态分为Separated（分离状态）、Contacting（接触过程）、Contacted（接触状态）、Separating（分离过程）四种状态，石墨烯膜在外部机械力作用下与铌酸锂不断重复接触分离。接触过程中，当石墨烯膜与铌酸锂衬底之间的距离从1.0 mm减小到0 mm时，从铌酸锂到石墨烯的Voc高达29.2 V，短路电流（Isc）高达1.43 μA。分离过程中，当石墨烯膜与铌酸锂衬底的距离增加到1.0 mm时，从石墨烯到铌酸锂的Voc高达41.3 V，Isc高达1.53 μA。
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图1.
垂直石墨烯/铌酸锂DDG的示意图。
石墨烯/铌酸锂DDG处于接触过程时，由于石墨烯和铌酸锂之间存在费米能级差，界面处会产生内建电场，电子和空穴在界面处产生扩散运动和漂移运动，实现电压电流输出。石墨烯/铌酸锂DDG接触之后，当漂移电流等于扩散电流时，达到平衡状态，此时没有输出电压和电流。相反，石墨烯/铌酸锂DDG处于分离过程时，石墨烯/铌酸锂界面耗尽层内的电子-空穴扩散和漂移平衡被破坏，导致限制在耗尽层中的电子和空穴扩散回石墨烯和铌酸锂中，从而产生相反的电压电流输出。石墨烯/铌酸锂DDG处于分离状态时，石墨烯和铌酸锂中的电子和空穴在各自的能带内重新稳定，无法输出电能。密度泛函理论模拟计算显示，石墨烯接触铌酸锂后，电子从石墨烯转移到铌酸锂表面的氧原子上。在内建电场产生并定向分离热载流子之后，铌酸锂中的极化电场进一步加速其有效收集，结合石墨烯的超高热载流子寿命与载流子倍增效应，实现了超高的电压与电流输出。
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图2.
垂直石墨烯/铌酸锂DDG的物理机制和载流子动力学。
采用不同掺杂类型的P-GaN和N-GaN半导体与石墨烯膜制备石墨烯/GaN DDG，结果显示垂直石墨烯/P-GaN DDG中GaN导带电子向石墨烯迁移，石墨烯价带空穴向P-GaN迁移；而垂直石墨烯/N-GaN DDG中GaN导带电子与石墨烯价带空穴在接触状态下同样相互迁移。这主要是内建电场和极化电场耦合作用的结果，且极化电场强度强于内建电场，导致石墨烯/P-GaN DDG的输出电压高于石墨烯/N-GaN DDG。
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图3.
