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Apr 29, 2024

2의 밴드갭 감소 최적화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6954(2023) 이 기사 인용 688 Accesses Metrics 세부 정보 이 보고서에서 우리는 광학 밴드갭을 조정하기 위해 다양한 제조 매개변수를 개발했습니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6954(2023) 이 기사 인용

688 액세스

측정항목 세부정보

이 보고서에서 우리는 산화 그래핀(GO) 나노시트의 광학 밴드갭을 조정하여 전자 산업에서 작동 가능한 후보로 만들기 위한 다양한 제조 매개변수를 개발했습니다. 여기서 우리는 GO 나노시트의 밴드갭을 줄이기 위해 두 가지 방법을 수행했습니다. 첫째, 일련의 GO 나노시트 샘플에 대한 sp2/sp3 혼성화 비율을 제어하기 위해 산화제(예: KMnO4)의 양을 줄여 GO의 산화 수준을 최적화했습니다. KMnO4의 양이 100%에서 30%로 감소함에 따라 GO 나노시트의 1차 밴드 가장자리는 3.93-3.2eV, 2차 밴드 가장자리는 2.98-2.2eV가 감소하는 것을 확인했습니다. 둘째, 우리는 새로운 합성 공정 습식 함침 방법을 사용하여 GO/산화철을 포함하는 일련의 2차원 나노복합체 샘플을 제작했습니다. 합성된 나노복합체의 XRD 분석을 통해 GO의 두드러진 평면(001)을 갖는 산화철의 \(\alpha\)-Fe2O3 및 Fe3O4 상이 모두 존재함을 확인했습니다. 형태학적 조사는 산화철 나노입자의 응집 및 GO 나노시트의 응고의 모든 가능성을 배제합니다. 원소 매핑은 GO 나노시트 전체에 걸쳐 산화철 나노입자의 균질한 분포를 보증했습니다. 라만 분광법은 상당히 일정한 ID/IG 비율과 D 및 G 피크의 FWHM을 확인하여 나노복합체의 합성 과정이 GO 플레이크의 산화 정도에 영향을 미치지 않는다는 사실을 입증했습니다. 모든 나노복합체 샘플의 G 피크 위치의 적색 이동은 나노복합체 구성 요소 간의 전자 상호 작용을 보여줍니다. 산화철 나노입자의 증가에 따른 PL(광발광) 스펙트럼 강도의 선형 감소는 산화철 나노입자와 GO 플레이크 간의 상호 작용 증가를 나타냅니다. 광흡수 분광법은 GO 나노시트에서 \(\alpha\)-Fe2O3 나노입자의 로딩이 0에서 5%로 증가함에 따라 밴드갭의 1차 가장자리가 2.8에서 0.99eV로 선형 감소하는 반면 2차 가장자리는 3.93-2.2eV 감소하는 것을 보여줍니다. 이러한 나노복합체 샘플 중에서 5%-산화철/95%-GO 나노시트 샘플은 전자 장치에 대한 좋은 경쟁자가 될 수 있습니다.

단층 형태의 그래핀은 탄소 원자 사이에 sp2-sp2 결합이 있는 밴드갭이 없는 물질입니다. 반도체 장치에 사용하려면 산화 그래핀(GO) 형성 시 산소의 기능화를 통해 밴드갭을 열어야 합니다. 이러한 산소 기능화는 원자 사이의 sp3-sp3 결합과 매우 높은 밴드갭을 갖는 거의 절연 특성을 초래합니다. 이 밴드갭을 줄이려면 GO를 환원된 GO(r-GO라고도 함)로 감소시키지 않고 산소/탄소(O/C) 비율의 양을 제어하는 ​​것이 가장 중요합니다. GO의 산소 농도와 밴드갭 사이의 선형 관계는 이론적으로 산소 대 탄소 비율이 증가함에 따라 밴드갭이 선형으로 증가하는 것으로 관찰됩니다. 밴드갭의 이러한 증가는 전자 상태의 국지화와 C-C 원자 사이의 약한 결합으로 인해 관찰됩니다. 이러한 약한 결합은 그래핀의 π 궤도와 에폭시 그룹의 산소 2pz 궤도 사이의 상호 작용으로 인해 발생합니다. GO에서 O/C 비율이 최대 50% 이상 증가하면 밴드갭도 직접에서 간접으로 전환됩니다3,4. GO 레이어의 스태킹 구성은 페르미 레벨5 근처에서 비어 있는 상태가 느슨해지기 때문에 AA 스태킹이 AB보다 더 적합한 밴드갭에 영향을 미칩니다. 저렴한 비용과 대규모 생산 방법으로 인해 전자 장치 응용 분야에 유리합니다. 그러나 GO의 광학 밴드갭은 전자 장치에서 반도체로 작동하는 데 필요한 것보다 훨씬 더 큽니다.

동결 주조 방법을 사용하여 정렬된 구조(예: 방사형 및 중심대칭)를 가진 GO 에어로겔의 제작은 Wang et al.6,7에 의해 입증되었습니다. 그래핀 및 그 파생물 기반 재료의 3D 프린팅에 대한 최근 개발과 배터리, 슈퍼커패시터, 태양열 증기 발생기 및 전열 변환에 대한 응용 가능성이 포괄적으로 검토되었습니다8. 급속 가열 기술을 사용하여 Chen et al.9은 물리적 장벽을 사용하여 원하는 두께의 균일하고 확장되고 감소된 GO 필름을 주어진 높이로 생성한 다음 압축하여 산소가 적은 조밀한 종이 같은 물질을 생성했습니다. 많은 응용 분야에 유용할 수 있는 다양한 두께의 "그래핀" 포일을 제조하기 위한 경로를 제공하는 탄소 sp2 혼성화의 함량 및 더 높은 함량입니다.