石墨烯-半導體復合材料的設計、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，具有獨特的物理化學特性。石墨烯的比表面積、遷移率和透光性都比一般材料高，機械強度大、導熱性也頗為優異，因此在各個領域都有潛在應用。在此基礎之上，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、復合到石墨烯上，進一步拓寬了石墨烯及其復合體系的應用范圍。目前已有半導體、金屬和磁性納米材料等同石墨烯形成的復合材料。這些材料已在光電轉換、能量存儲、傳感器、電化學催化、光化學

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用領域展現了令人激動的廣闊前景。
　　 針對石墨烯納米結構復合材料的設計、制備、性能調控和應用中的一些重要科學問題和關鍵技術，我們開展了系統的研究工作。本論文主要包含五章內容。
　　 在第一章中，我們回顧了石墨烯的結構、性能、制備方法以及目前存在的問題，歸納和總結了石墨烯復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，我們成功設計和制備出了沒有橋連分子的Graphene-CdSe二元石墨烯-半導體復合材料。這一材料具有很好的形態控制和光生電荷轉移特性?；诖朔N復合材料，我們進一步構筑了具有高性能光電響應特征的光電探測原型器件。這一器件響應靈敏、響應速度快（上升沿≤250μs，下降沿～500μs）、工作穩定性好，因此具有很高的潛在應用價值。此外，我們還利用電子轉移理論定性解釋了該復合材料的光電響應和光淬滅現象。
　　

4、 在第三章中，我們通過材料設計，成功將TiO2半導體納米顆粒和磁性Fe3O4納米結構集成生長在石墨烯上，從而制備出易實現回收和重復使用的高效有機染料光催化劑——Graphene-TiO2-Fe3O4(GTF)三元復合材料。這一材料展現了良好的功能集成特征:TiO2起光催化作用，石墨烯起增強TiO2催化的作用，而Fe3O4則使該材料易于回收和重復利用。系統研究表明石墨烯可有效分離TiO2中產生的光生電子，減弱光電子向Fe3O4的轉移，避

5、免了Fe3O4的光溶解，從而使該復合材料在結構和性能上更加穩定。此外，該復合材料還可以在不同pH值的溶液環境中穩定工作，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現染料的光降解。這些性能使GTF在染料污水的處理方面具有廣闊的應用前景。
　　 在第四章中，我們仔細探討了Graphene-CdSe二元復合材料的電荷和輸運行為。對Graphene-CdSe輸運特性的變溫研究表明，盡管修飾有CdSe納米顆粒，該復合材料的電導依

6、然呈現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電能力。對該復合材料的光電流隨光功率變化的變溫研究發現:當溫度較低或光功率較小時，載流子主要通過被電極、深能級缺陷和束縛載流子捕獲的方式耗散，此時光電流隨光功率呈線性變化;當光功率增大時，載流子濃度增加，導致載流子中電子和空穴直接復合的幾率增大，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合材料研究