Graphene layer-count band alignment (2L work-function minimum)

p-Si 위에 무작위 적층된 CVD 그래핀에서 나타나는 층수 의존적 일함수 및 쇼트키 접합이 double-layer-graphene-photocathode의 비단조적 ABPE 최댓값을 2층에서 결정한다 (see Sim et al., ACS Appl. Mater. Interfaces (2017), Fig. 2b).

메커니즘

• 무작위 배향 2층 적층(Bernal 구조 아님)은 ~108 meV의 비대칭 C-site 밴드갭을 열어, 쿨롱 전하 전달 이동을 1층의 −0.21 eV 대비 −0.23 eV (DFT, 2층)로 증대시킨다.
• UPS는 그래핀 일함수 이동 ΔΦGr이 2층에서 최솟값을 가짐을 확인한다: −0.36 eV (미처리), −1.0 eV (플라즈마 처리) 대비 −0.20 eV (1층) 및 −0.025 eV (4층) (see Sim et al., ACS Appl. Mater. Interfaces (2017), Figs. 5–6).
• Mott–Schottky Efb 추적: 순수 Si 0.001 V, 1층 0.20 V, 2층 0.26 V, 플라즈마 처리 2층 0.30 V vs RHE.
• 3층 이상에서는 무작위 적층에 따른 수직 전하 전달의 지수적 감쇠로 인해 경향이 역전된다.

구동 인자는 쇼트키 접합 / 밴드 굽힘이며, 이는 N-doped-graphene-HER-catalysis (paper_032)의 N-결함 활성 부위 밀도 경로와 구별된다 — 다만 두 경로 모두 전하 전달 저항을 낮춘다. 동일한 다층 구조는 동시에 Si 표면을 부동태화한다 (graphene-Si-surface-passivation). 성능 지표는 photocathode-onset-potential, photoelectrochemical-current-density, 및 solar-to-hydrogen-efficiency (ABPE)에 반영된다.