外文翻譯--化學(xué)法處理氧化石墨烯得到藍(lán)色熒光的研究

1、中文 中文 4560 字化學(xué)法處理氧化石墨烯得到藍(lán)色熒光的研究By Goki Eda, Yun-Yue Lin, Cecilia Mattevi, Hisato Yamaguchi, Hsin-An Chen,I-Sheng Chen, Chun-Wei Chen,* and Manish Chhowalla*熒光有機(jī)化合物對(duì)于開發(fā)低成本的光電器件[1]有著顯著意義。來自芳族或烯烴分子的藍(lán)色熒光以及它們的衍生物在顯示和照明應(yīng)用[2]中尤

2、為重要。低分子量的薄膜沉積，熒光有機(jī)化合物通常需要昂貴的真空蒸發(fā)系統(tǒng)。另一方面，水 溶液的同類聚合物由于較大離域鏈的緣故一般在較長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光。因此，來自水溶液材料的藍(lán)光發(fā)射具有獨(dú)特的工藝意義。在這里，我們報(bào)告了經(jīng)溶液處理的氧化石墨烯（GO）近紫外到藍(lán)色的光致發(fā)光（PL） 。PL 的特點(diǎn)及其依賴于 GO 的還原表明，它源于電子空穴（e-h）對(duì)的重組，局部范圍內(nèi)小 sp2 碳原子簇嵌入一個(gè) sp3 雜化矩陣。結(jié)果表明石墨烯片材上提供了一個(gè)熒光

3、成分可以量化而不會(huì)失去宏觀結(jié)構(gòu)完整性的母體結(jié)構(gòu)。我們的研究結(jié)果提供了在水溶液中用光 電設(shè)備處理石墨烯的獨(dú)特路線。石墨烯是一種在固態(tài)物理研究[3]基礎(chǔ)研究和應(yīng)用中令人興奮的材料。新型凝聚態(tài)，其獨(dú)特的 2D 能量色散以及卓越的性能很有希望實(shí)現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用。然而，石墨烯是一種零帶隙半導(dǎo)體，由于場(chǎng)效應(yīng)設(shè)備[4]大量泄漏電流，因此在應(yīng)用到傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品時(shí)面臨一系列特殊的挑戰(zhàn)。由于缺乏的能帶隙，觀察到發(fā)光的可能性也是極小的。最近，化學(xué)法處理的 G

4、O 受到廣泛關(guān)注，因其易在各種溶劑中生成晶片規(guī)模沉積[5-11]。由于結(jié)構(gòu)紊亂，還原 GO 中運(yùn)輸載體有限[12,13]。但是，導(dǎo)電性105Sm-1（參考文獻(xiàn)[ 5,6,14 ]）和遷移率 10cm2VS-1（參考文獻(xiàn)[15]）在應(yīng)用中要足夠大是價(jià)格低廉，性能適中的電子產(chǎn)品（如作為靈活的平臺(tái)）所必需的。GO 中很大一部分碳（0.5-0.6）是 sp3 雜化以環(huán)氧基和羥基基團(tuán)[16,17]的形式與氧共價(jià) 鍵合的。剩余的碳是 sp2 雜化和

5、相鄰的碳原子或與氧以羧基和羰基的形式鍵 合，這主要是裝飾石墨烯片材的邊緣。因此，和由 100％sp2-雜化碳原子組成的的理想石墨烯片對(duì)比，GO 是一個(gè) sp2-和 sp3 鍵合原子的 2D 網(wǎng)絡(luò)。GO 的這種獨(dú) 特的原子和電子結(jié)構(gòu)[18]，由可變的 sp2/sp3 部分組成，為新功能開辟了可能性。GO 和機(jī)械剝離石墨烯之間最顯著的區(qū)別是一個(gè)有限的帶隙[19]的存在下所產(chǎn)生 的光電性質(zhì)。近年來，來自化學(xué)衍生 GO 的 PL 已被證明[20

6、-22 ]。GO 發(fā)光出現(xiàn)在 可見光（VIS）和近紅外（IR）波長(zhǎng)范圍，在生物傳感熒光標(biāo)記[20,21]方面可能有用。在碳材料中含有 sp2 和 sp3 鍵合的混合物，光電性能由 sp2 位點(diǎn)[23]的 π 狀態(tài)決定。sp2 簇的 π-π*電子含量在 sp3 矩陣的 σ-σ*位點(diǎn)帶隙范圍內(nèi)并強(qiáng)烈定位[24,25]。含有 sp2 和 sp3 混合物的無序碳薄膜的光學(xué)性能已被廣泛地研究[26-30]。在 這樣的碳系統(tǒng)中的 PL 是 sp2

7、簇中的局部 e-h 對(duì)產(chǎn)生重組的結(jié)果，主要表現(xiàn)在發(fā)光中心或發(fā)色團(tuán)[31]。由于帶隙取決于 sp2 域的大小，形狀，和餾分，可以通過 控制 sp2 位點(diǎn)的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)可調(diào) PL 發(fā)射。例如，PL 能源線性尺度與 sp2 部分的無序碳系統(tǒng)[32]。在這里，我們發(fā)現(xiàn)用紫外線輻射激發(fā)時(shí)，由幾個(gè)單分子層組成的適度還原 的 GO 薄膜發(fā)出近紫外藍(lán)光。徹底脫落的懸浮液中的薄膜樣品沉積可觀察到藍(lán)（FWHM 0.6 EV）在 390nm 附近。用于膜沉積的

8、GO 懸浮液的明顯的展現(xiàn)出在 440nm 附近的當(dāng)量 PL 峰值中心（見支持信息） 。在懸浮液中 PL 的移位可以被認(rèn)為導(dǎo)致了電介質(zhì)環(huán)境的差異[34]。PL 強(qiáng)度雖然弱但在本研究中所用的激發(fā)條件 中可用肉眼看見。初步的測(cè)量表明量子產(chǎn)率也非常低但一份詳細(xì)的量子效率的研究將被另外提交。然而 PL 信號(hào)十分強(qiáng)大，足以允許使用所描述的測(cè)量條件 重復(fù)采集數(shù)據(jù)。經(jīng)還原處理的薄膜的 PL 峰位置被發(fā)現(xiàn)經(jīng)常保持在 390nm 左右，變化小于±

9、10nm?？梢钥闯?，當(dāng)沉積 GO 薄膜 PL 強(qiáng)度弱的時(shí)候，短期和肼蒸氣接觸會(huì)導(dǎo)致 PL 強(qiáng)度的顯著增加。有趣的是，這一趨勢(shì)在和肼蒸汽接觸 3 分鐘后能夠逆轉(zhuǎn)。較長(zhǎng)的接觸導(dǎo)致PL 信號(hào)最終淬滅。應(yīng)當(dāng)提到的是，在真空中 200 ℃通過熱退火也會(huì)導(dǎo)致較弱的PL 信號(hào)（見支持信息） 。還原 3 分鐘的 GO 薄膜在不同的 PL 激發(fā)波長(zhǎng)的 PL 激發(fā)光譜如圖 1c 所示。激光特征對(duì)應(yīng)于藍(lán)光發(fā)射代表著吸收能量，在激發(fā)波長(zhǎng)為 260 和 310n

10、m（4-4.4 eV）之間很容易觀察到。PL 發(fā)射/激發(fā)光譜的一般特征和它們依賴于還原的程度與以前的研究[20-22 ]報(bào)告的紅外發(fā)射明顯不同，表明藍(lán)光發(fā)射的起源也不同。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于紫外-藍(lán)色 PL 的觀察，有必要通過離心分離盡量減少多層聚合的片狀濃度。因?yàn)槲覀冇^察到 GO 懸浮液離心之前的近紅外 PL，我們認(rèn)為低能量的 PL 是由于在這樣的顆粒的存在下，在該層間出現(xiàn)電 子弛豫。產(chǎn)生藍(lán)色 PL 一種可能的原因是 e-h 對(duì)在局域態(tài)產(chǎn)生

11、的輻射重組。π-π*位點(diǎn)之間的能隙通常取決于 sp2 簇[23]的大小或共軛長(zhǎng)度[35]。拉曼和成像分析表明 GO包含~3nm 的 sp2 簇與 sp3 雜化炭基體分離[ 12,14,18 ]。盡管沒有分子 sp2 域的直接觀察報(bào)道，我們逐步還原 GO [14,36]的運(yùn)輸研究和先前在無定形碳[28,37,38 ] PL 上的工 作表明了它們的存在。納米大小的 sp2 簇和有限大小的分子 sp2 域之間的相互作用是在 GO 中優(yōu)化藍(lán)光發(fā)

12、射的關(guān)鍵。直徑為 3nm 的 sp2 簇包含> 100 個(gè)芳環(huán)。我們的計(jì)算基于高斯時(shí)間依賴性（TD）密度泛函理論（DFT）的計(jì)算（請(qǐng)參閱支持信息）表明這種 sp2 簇具有約 0.5ev 的能隙，且不能觀察到藍(lán)色發(fā)射。圖 2 表明了計(jì)算的一個(gè)單一苯環(huán)的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌 道（LUMO）之間的距離是 7 eV，20 個(gè)芳香環(huán)為一個(gè)集群的則降低至 2 eV。因 此，我們預(yù)計(jì)少量芳族環(huán)比較小的 sp2 簇或其他