Новости

Apr 29, 2024

Оптимизация уменьшения запрещенной зоны в 2

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 6954 (2023) Цитировать эту статью 688 Подробности доступа к метрикам В этом отчете мы разработали различные параметры изготовления для настройки оптической запрещенной зоны.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6954 (2023) Цитировать эту статью

688 Доступов

Подробности о метриках

В этом отчете мы разработали различные параметры изготовления, чтобы адаптировать оптическую запрещенную зону нанолистов оксида графена (GO), чтобы сделать их пригодными для использования в электронной промышленности. Здесь мы использовали два способа уменьшения запрещенной зоны нанолистов GO. Во-первых, мы оптимизировали уровень окисления ГО, уменьшив количество окислителя (т.е. KMnO4), чтобы контролировать соотношение гибридизации sp2/sp3 для серии образцов нанолистов ГО. Мы заметили уменьшение края первичной зоны 3,93–3,2 эВ и края вторичной зоны 2,98–2,2 эВ нанолистов ОГ при уменьшении количества KMnO4 со 100 до 30%. Во-вторых, мы изготовили серию двумерных образцов нанокомпозитов, содержащих GO/оксид железа, используя новый процесс синтеза, метод мокрой пропитки. Рентгеновский анализ синтезированных нанокомпозитов подтвердил наличие обеих фаз, \(\alpha\)-Fe2O3 и Fe3O4 оксида железа с выраженной плоскостью (001) GO. Морфологическое исследование исключает все возможности агломерации наночастиц оксида железа и коагуляции нанолистов ОГ. Картирование элементов подтвердило однородное распределение наночастиц оксида железа по нанолистам ГО. Рамановская спектроскопия подтвердила достаточно постоянное соотношение ID/IG и ширину пиков D и G на полувысоте, доказав тем самым тот факт, что процесс синтеза нанокомпозитов не влияет на степень окисления хлопьев ГО. Красное смещение в положении G-пика всех образцов нанокомпозитов показало электронное взаимодействие между компонентами нанокомпозита. Линейное уменьшение интенсивности спектров ФЛ (фотолюминесценции) с увеличением наночастиц оксида железа указывает на усиление взаимодействия между наночастицами оксида железа и хлопьями ГО. Спектроскопия оптического поглощения обнаруживает линейное уменьшение первичного края запрещенной зоны от 2,8 до 0,99 эВ, а вторичного края - 3,93–2,2 эВ при увеличении загрузки наночастиц \(\alpha\)-Fe2O3 от 0 до 5% в нанолистах GO. Среди этих образцов нанокомпозитов образец нанолиста с 5% оксида железа и 95% GO может стать хорошим конкурентом для электронных устройств.

Графен в монослойной форме представляет собой материал с нулевой запрещенной зоной и sp2–sp2-связями между атомами углерода. Для его использования в полупроводниковых устройствах его запрещенная зона должна быть открыта путем функционализации кислорода с образованием оксида графена (GO). Эта кислородная функционализация приводит к образованию связей sp3-sp3 между атомами и почти изолирующим свойствам с очень высокой запрещенной зоной. Чтобы уменьшить эту запрещенную зону, наиболее важно контролировать количество соотношения кислород/углерод (O/C), не превращая GO в восстановленный GO (известный как r-GO). Линейная зависимость между концентрацией кислорода и шириной запрещенной зоны ОГ теоретически наблюдается при линейном увеличении ширины запрещенной зоны с увеличением соотношения кислорода и углерода1,2. Такое увеличение запрещенной зоны наблюдается из-за локализации электронных состояний и слабой связи между атомами C–C. Эта слабая связь возникает в результате взаимодействия π-орбитали графена и 2pz-орбитали кислорода эпоксидной группы. При увеличении соотношения O/C до или более 50% в GO ширина запрещенной зоны также переходит из прямой в непрямую3,4. Конфигурация укладки слоев GO также влияет на запрещенную зону, при этом упаковка AA более подходит, чем AB, из-за ослабления незанятого состояния вблизи уровня Ферми5. Его низкая стоимость и крупномасштабный метод производства делают его подходящим для применения в электронных устройствах. Но оптическая запрещенная зона ГО намного больше, чем она требуется для работы в качестве полупроводника в электронных устройствах.

Изготовление аэрогелей ГО с упорядоченной структурой (например, радиальной и центросимметричной) с использованием метода замораживания было продемонстрировано Wang et al.6,7. Всесторонне рассмотрены последние разработки в области 3D-печати материалов на основе графена и его производных и возможный потенциал их применения для батарей, суперконденсаторов, солнечных парогенераторов и электротермического преобразования8. Используя технику быстрого нагрева, Чен и др.9 получили однородные, расширенные и уменьшенные пленки ОГ желаемой толщины до заданной высоты за счет использования физического барьера с последующим сжатием для создания плотного бумажного материала с низким содержанием кислорода. содержание и большее содержание гибридизации углерода sp2, что обеспечивает путь для изготовления «графеновой» фольги различной толщины, которая, вероятно, будет полезна для многих приложений.