石墨烯-半導(dǎo)體量子點(diǎn)復(fù)合體系薄膜制備及光電性能研究新進(jìn)展
低維碳納米材料的發(fā)現(xiàn)或合成，重新引起了人們對(duì)碳材料的巨大研究興趣，加快了納米材料和技術(shù)的發(fā)展。自2004年英國(guó)Manchester大學(xué)A.K.Geim組用力學(xué)剝離方法制備出石墨烯(Graphene)材料后，Graphene優(yōu)異性能被陸續(xù)揭示，成為目前室溫導(dǎo)電速度最快、力學(xué)強(qiáng)度最大、導(dǎo)熱能力最強(qiáng)的材料，有望在納電子學(xué)、能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。然而，由于特殊的零帶隙線性能帶色散關(guān)系，Graphene在紫外到近紅外光學(xué)吸收范圍內(nèi)呈現(xiàn)帶間吸收主導(dǎo)的恒定的光電導(dǎo)現(xiàn)象，無(wú)共振吸收峰，在光電轉(zhuǎn)化中的性能應(yīng)用受到限制。半導(dǎo)體量子點(diǎn)（QDs），是另一個(gè)引起人們研究興趣的納米體系。它在生物熒光標(biāo)記、電致發(fā)光、光電器件方面具有重要應(yīng)用前景。QDs具有分立的電子能級(jí)和尺寸依賴(lài)的能級(jí)間距和帶隙，以及CdSe，PbSe等小帶隙QDs呈現(xiàn)激子倍增現(xiàn)象，有望在高效光電轉(zhuǎn)化器件中得到應(yīng)用。然而，QDs是由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的芯和絕緣的有機(jī)配體外殼組成，有機(jī)配體阻礙了QDs之間的耦合，增加了組裝體系中的無(wú)序，導(dǎo)致半導(dǎo)體QDs體系具有極低電導(dǎo)率和光電導(dǎo)率，限制了QDs在光電方面應(yīng)用。因此，改善半導(dǎo)體QDs體系的電導(dǎo)率對(duì)它們?cè)诠怆娹D(zhuǎn)化方面的應(yīng)用具有重要意義。
中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究生耿秀梅在導(dǎo)師程國(guó)勝、劉立偉研究員指導(dǎo)下，與中科院物理所和國(guó)家納米中心科研人員合作，在石墨烯-半導(dǎo)體量子點(diǎn)復(fù)合體系光電轉(zhuǎn)化方面取得了新的進(jìn)展，成功地完成了新型的石墨烯-半導(dǎo)體量子點(diǎn)非共價(jià)復(fù)合材料體系材料制備，實(shí)現(xiàn)了具有光電轉(zhuǎn)化性能的透明導(dǎo)電薄膜。通過(guò)QDs的配體置換，和利用π-π相互作用，解決了兩者在水溶液中共溶以及增強(qiáng)了兩者間的相互作用等問(wèn)題，使化學(xué)轉(zhuǎn)化的Graphene與CdSe量子點(diǎn)通過(guò)吡啶結(jié)合在一起(圖1）。當(dāng)用可見(jiàn)光照射時(shí)，光電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了激發(fā)的電子從CdSe到石墨烯的遷移。通過(guò)增加CdSe量子點(diǎn)的濃度，復(fù)合體系暗電導(dǎo)逐漸降低，光敏性能逐漸增強(qiáng)。由于石墨烯的引入，復(fù)合體系薄膜的光電導(dǎo)率，與純量子點(diǎn)體系的薄膜相比，獲得十個(gè)數(shù)量級(jí)的增加（圖2）。該項(xiàng)研究對(duì)改善半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系的電導(dǎo)率，制作柔性大面積石墨烯-半導(dǎo)體量子點(diǎn)復(fù)合體系薄膜及其光電轉(zhuǎn)化應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
相關(guān)成果在Advanced Materials 22，638（2010）上發(fā)表。這篇論文2009年11月在Advanced Materials網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表后，即被該刊物評(píng)為2009年12月份訪問(wèn)量最高的前5篇論文之一。已申請(qǐng)中國(guó)專(zhuān)利1項(xiàng)。
上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、蘇州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助。
圖1. 石墨烯-量子點(diǎn)非共價(jià)復(fù)合體系形成示意圖
圖2.石墨烯-量子點(diǎn)復(fù)合體系薄膜以及光電性能。(a)石墨烯柔性透明薄膜。(b)石墨烯-量子點(diǎn)復(fù)合體系薄膜。(c)石墨烯-量子點(diǎn)復(fù)合體系薄膜器件。(d)石墨烯、量子點(diǎn)以及復(fù)合體系光吸收。(e)石墨烯-量子點(diǎn)復(fù)合體系薄膜透過(guò)率。(f)石墨烯-量子點(diǎn)復(fù)合體系薄膜光電響應(yīng)。
