纳米金属-还原氧化石墨烯复合膜的喷涂法制备及其光电性能研究

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还原氧化石墨烯(rGO)是近年来兴起的一种重要二维材料,它具有高机械强度、高透光率、大的理论比表面积和可规模化生产等优点,因而在光电子及光电化学领域成为制备柔性电子器件和传感器极具吸引力的材料。然而,rGO只能吸收紫外光,这极大地限制了其在光电子及光电化学领域中的应用。而将具有局域表面等离子共振(LSPR)效应的纳米金属(M)与rGO复合形成复合结构(M/rGO),则有望利用不同表面等离子金属所具有的不同光谱响应区间来增强复合结构的光吸收性能,进而起到增强M/rGO复合结构光电性能的作用。本论文在通过湿化学法制备M/rGO(其中M为Ag、β-Sn、Cu等具有不同光谱响应范围的表面等离子金属)复合结构的基础上,利用喷涂法制得M/rGO复合膜,并系统探究了多种制备参数对复合结构光学及光电性能的影响规律。具体研究成果如下:1.采用电化学共还原法和油浴法成功制备了Ag/rGO复合结构,并通过控制喷涂时间得到了具有不同厚度的复合膜。测试结果表明,相比于电化学共还原法,油浴法制备的Ag/rGO复合结构具有更高的瞬态光电流密度,且喷涂时间为60 s时其瞬态光电流密度更稳定。通过将溶液调节成碱性优化了油浴法制备Ag/rGO杂化结构的工艺。相比于中性油浴法,该工艺不仅使得Ag纳米粒子的尺寸分布更加均匀,且Ag/rGO复合膜具有更高、更稳定的光电性能,其最高瞬态光电流密度约为rGO的2.9倍。这主要归因于Ag纳米粒子的近场效应引起的热电子注入,其贡献约为62%。此外,Ag纳米粒子的引入在提升rGO光吸收强度的同时将Ag/rGO复合结构的光吸收范围从紫外光区拓宽到可见光区,这同样利用复合结构光电性能的提升。2.分别采用湿化学法和油浴法成功制备了β-Sn/rGO和Cu/rGO复合结构,并采用喷涂法制备成β-Sn/rGO和Cu/rGO复合膜。在优化工艺参数的基础上,β-Sn/rGO和Cu/rGO复合膜的最大瞬态光电流密度分别可达纯rGO的2倍和1.6倍。光谱、电化学阻抗谱表征和有限元仿真结果表明,β-Sn和Cu纳米粒子的引入均可在拓宽复合结构光吸收范围的同时提高其电荷转移效率。不同的是,β-Sn纳米粒子近场效应引起的热电子注入是β-Sn/rGO光电性能增强的关键;而Cu/rGO光电性能增强则是Cu纳米粒子近场效应引起的热电子注入和共振能量转移共同作用的结果。
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