石墨烯-半導(dǎo)體復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備與性能研究.pdf

1、石墨烯是單層碳原子以六角形蜂窩狀排列的二維材料，具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性。石墨烯的比表面積、遷移率和透光性都比一般材料高，機(jī)械強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性也頗為優(yōu)異，因此在各個(gè)領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用。在此基礎(chǔ)之上，為了集成多種功能，并探索其它材料與石墨烯的相互作用，人們將不同材料組裝、復(fù)合到石墨烯上，進(jìn)一步拓寬了石墨烯及其復(fù)合體系的應(yīng)用范圍。目前已有半導(dǎo)體、金屬和磁性納米材料等同石墨烯形成的復(fù)合材料。這些材料已在光電轉(zhuǎn)換、能量存儲(chǔ)、傳感器、電化學(xué)催化、光化學(xué)

2、催化、磁共振成像造影劑、靶向藥物控制釋放以及超快光探測器等應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)了令人激動(dòng)的廣闊前景。
　　 針對(duì)石墨烯納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備、性能調(diào)控和應(yīng)用中的一些重要科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，我們開展了系統(tǒng)的研究工作。本論文主要包含五章內(nèi)容。
　　 在第一章中，我們回顧了石墨烯的結(jié)構(gòu)、性能、制備方法以及目前存在的問題，歸納和總結(jié)了石墨烯復(fù)合材料的種類及其制備方法，闡述了本論文選題的背景和科學(xué)意義。
　　 在第二章中，通

3、過在熱注入生長法中加入RGO，我們成功設(shè)計(jì)和制備出了沒有橋連分子的Graphene-CdSe二元石墨烯-半導(dǎo)體復(fù)合材料。這一材料具有很好的形態(tài)控制和光生電荷轉(zhuǎn)移特性?；诖朔N復(fù)合材料，我們進(jìn)一步構(gòu)筑了具有高性能光電響應(yīng)特征的光電探測原型器件。這一器件響應(yīng)靈敏、響應(yīng)速度快（上升沿≤250μs，下降沿～500μs）、工作穩(wěn)定性好，因此具有很高的潛在應(yīng)用價(jià)值。此外，我們還利用電子轉(zhuǎn)移理論定性解釋了該復(fù)合材料的光電響應(yīng)和光淬滅現(xiàn)象。
　　

4、 在第三章中，我們通過材料設(shè)計(jì)，成功將TiO2半導(dǎo)體納米顆粒和磁性Fe3O4納米結(jié)構(gòu)集成生長在石墨烯上，從而制備出易實(shí)現(xiàn)回收和重復(fù)使用的高效有機(jī)染料光催化劑——Graphene-TiO2-Fe3O4(GTF)三元復(fù)合材料。這一材料展現(xiàn)了良好的功能集成特征:TiO2起光催化作用，石墨烯起增強(qiáng)TiO2催化的作用，而Fe3O4則使該材料易于回收和重復(fù)利用。系統(tǒng)研究表明石墨烯可有效分離TiO2中產(chǎn)生的光生電子，減弱光電子向Fe3O4的轉(zhuǎn)移，避

5、免了Fe3O4的光溶解，從而使該復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)和性能上更加穩(wěn)定。此外，該復(fù)合材料還可以在不同pH值的溶液環(huán)境中穩(wěn)定工作，能夠降解多種染料的混合物，甚至可以在太陽光的照射下實(shí)現(xiàn)染料的光降解。這些性能使GTF在染料污水的處理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 在第四章中，我們仔細(xì)探討了Graphene-CdSe二元復(fù)合材料的電荷和輸運(yùn)行為。對(duì)Graphene-CdSe輸運(yùn)特性的變溫研究表明，盡管修飾有CdSe納米顆粒，該復(fù)合材料的電導(dǎo)依

6、然呈現(xiàn)二維材料的變程跳躍特征。光照可以使CdSe中的光生載流子注入到石墨烯，提高了石墨烯的載流子濃度及其導(dǎo)電能力。對(duì)該復(fù)合材料的光電流隨光功率變化的變溫研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)溫度較低或光功率較小時(shí)，載流子主要通過被電極、深能級(jí)缺陷和束縛載流子捕獲的方式耗散，此時(shí)光電流隨光功率呈線性變化;當(dāng)光功率增大時(shí)，載流子濃度增加，導(dǎo)致載流子中電子和空穴直接復(fù)合的幾率增大，引起光電流隨光功率變化偏離線性。
　　 在第五章中，我們展望了石墨烯復(fù)合材料研究