年纪大了，很多文章只能逐句逐句的读才能看懂，这样，还不如翻译出来，也好慢慢嚼碎咽下。 --版权所有，转载请注明出处。 本文的原文出自"A photothermoelectric effect in graphene" （Science 334 (2011) 610）

在高中课程中，我们通常会学到热电偶（thermocouples）的知识。热电偶的工作原理如下图所示：

两种不同的金属线，如上图中的红线和绿线所示，它们的一端连接在一起，称为热端，另外一端被置于一个等温的区域，称为冷端。当热端和冷端存在温度差异时，在冷端的两个端点b和c，会产生电压差。那么，如果这两端金属线为同一种金属，是否还能在bc两端测量到电压呢？在高中考试时，答“是”的话，会很丢脸。然而，文献【[1]】尝试挑战这一常识。他在同一种材料的一个结处加热，并在材料两端测量到一个电压差。这种材料就是石墨烯。那么，这是否意味着石墨烯打破了我们在高中物理课本学到的物理定律呢？我们来仔细看看，这是怎么一回事。

在微观上，热电偶的工作原理是什么呢？当电子在金属中移动时，他们一方面带着电荷，一方面带着能量。前者与电流的形成有关，后者与热流的传输有关。电流的大小由从源端传输至漏端的总的电荷数决定；而热流的传输除了与电荷数有关外，还与电子的能级分布有关。由于电流和热流具有相同的物理本源，即电子在金属中的运动，所以二者是密切相关的。表现之一是Wiedemann-Franz（维德曼–夫兰兹）定律（在相同温度下，不同金属的热导率K和电导率σ的比值基本相同【[2]】）。另一个表现是热电效应：在一个样品两端施加温差，会在样品两端产生电压差，其微观上的解释是，温差引起热流的传输，而热流的传输主要由电子来完成，因此，也会伴随着电流的产生，从而在两端产生电流。而电压与温差的比值，被称为热电系数，或者Seebeck系数。这一系数与材料有关。那么，如图1所示，如果两种金属的耦合点被加热，则在金属的另一端会产生电压差，由于金属的Seebeck系数不同，则在bc两端产生电压差。同样可以获知，如果是同一种金属的话，bc两端的电压差应该为0。

文献【1】的核心思想是把一个单层石墨烯的两个区域处于不同的状态，从而使得这两个区域的石墨烯具有不同的Seebeck系数。这是有可能的，因为石墨烯中的电子密度可以被外加的栅极电场所强烈改变。不同极性的栅极电场可以排斥或者吸引石墨烯层中的电子。这种现象在普通金属中并不能被观察到，因为外部电场只能穿透金属的表面几个原子的长度，而电流和热流主要由金属中的体电荷所传导。

而石墨烯则不同，它只有一个原子层厚度，因此可以允许巨大的场效应。这一现象已由7年前的先锋工作所验证（【[3]】）。通过调节栅极电压，我们可以成数量级的改变石墨烯的导电率。凭借Mott关系，电导率的改变，意味着Seebeck系数的改变，这一现象已被实验证实【[4]】。在室温，Seebeck系数的约为几十ueV/K，至少是传统金属结的十倍以上，与热电偶常用的合金数量级接近。除了数值较大外，最显著的优点是石墨烯的Seebeck系数可被外界电场所改变。

因此，在文献【1】中，使用2个栅极电极的组合，使得石墨烯薄层的不同区域具有不同的电子密度，从而具有不同的Seebeck系数。这个不同区域的连接点被一个激光光束所加热，从而引起样品两端的电压产生。实际上，这与光伏效应的定义非常吻合，那么，问题是这个器件是光伏器件还是热电偶呢？对于普通的光电二极管，光照射在半导体的PN节上，激发出电子和空穴。PN结的内生电场将电子和空穴吸引至PN结两端，从而产生电压。那么，文献【1】中的电压形成机理是如何的呢？针对位于单层和双层石墨烯间的结，一个类似的问题被提出【5】。以上提到的两种机制会引起不同极性的电压。在文献【1】的双栅极单层石墨烯器件中，场引起的载流子分离会导致在V1-V2关系图中不同极性的光伏电压区域，取决于哪个区域具有更高的电子密度。这两个区域可以被一条等电子密度线所分割开。相反的，热电机制会在V1-V2平面上引起奇特的6倍光伏图形【6】，这一现象已被文献【1】观察到。

设计高效的光电子器件需要了解光伏效应产生的主要机理。文献【1】通过验证石墨烯的光热电效应产生机制，并演示了它的外部控制可能性，为石墨烯光电子学的研究铺平道路。

 

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