石墨烯量子点/掺杂半导体复合材料的制备及性能研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ioljok1988
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微晶石墨是一种由晶体直径小于1微米的石墨微晶非定向排列形成的石墨矿物,其天然的“长程有序,短程无序”缺点,极大地限制了这种石墨矿物的应用范围。石墨烯(graphene)具有比表面积大、导电性好、性质稳定等许多优点,将其尺寸进一步缩小至100纳米以下,就可以得到石墨烯量子点(graphene quantum dots,简称GQDs)。GQDs不仅具有石墨烯的诸多优点,还具有可以随尺寸变化的可调带隙。因此,将微晶石墨加工为石墨烯和GQDs,不仅可以有效的弥补其晶体尺寸小的劣势,还可以凭借石墨烯和GQDs的优良性能提高微晶石墨的应用范围。硫化锌(ZnS)是一种直接带隙半导体,通过铝掺杂可以提高其光电性能。将GQDs与Al掺杂ZnS半导体复合,一方面可以利用GQDs高的载流子迁移率来加快掺杂ZnS半导体颗粒内部光生电子的传导,另一方面,也可以改善掺杂半导体颗粒之间严重的团聚现象。本论文以微晶石墨为原料制备了石墨烯和GQDs,进一步制备得到具有不同GQDs质量分数的GQDs/铝掺杂ZnS半导体(Al-ZnS/GQDs)复合材料,并探究了石墨烯和GQDs的电化学性能及Al-ZnS/GQDs的光电性能,论文的主要内容如下:(1)以微晶石墨为原料,通过先氧化后热还原的方法制备得到石墨烯,经过热还原后,微晶氧化石墨片层间的含氧官能团被去除,石墨烯被成功制备。同时250时热还原得到的石墨烯具有最大的比电容值和最小的界面电荷转移电阻。(2)以石墨烯为原料,通过水热切割的方法制备得到GQDs。GQDs尺寸集中在20-35 nm之间;高度大约为0.5-2 nm,并且保持较好的石墨烯结构。同时与石墨烯相关测试结果比较可以表明GQDs具有更好的可逆比电容性能和更高的电荷载流子传导效率。(3)通过调节GQDs质量分数,采用溶剂热法制备了一系列具有不同GQDs质量分数的Al-ZnS/GQDs复合材料。掺杂半导体与GQDs复合后,其光电性能明显提高,同时复合材料的光电流强度随着GQDs质量分数的增加呈现出先增加后减小的趋势,并在GQDs质量分数为1.2 wt%时达到最大值,其光电流强度相比于纯的ZnS和Al-ZnS分别增加了700%和200%。
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