干法制备石墨烯量子点阵列与近场光学研究

When shrinked to certain size and properly functionized, graphene quantum dots become photo-luminescent and may have important biomedical .applications. Currently graphene quantum dots are mainly fabricated in wet chemical processes. For graphene quantum dot supported on certain substrates, however, dry etching technique is essential for its application in integrated opto-electronics. In this project, we propose to fabricate graphene quantum dot arrays on SiO2/Si substrate based on ozone dry etching, and study their photoluminescence properties. A scanning near-field optical microscope will be utilized to simultaneously map morphology, optical intensity distribution, and spectrum of the graphene quantum dot arrays at low temperatures. We will study how the photoluminescence properties are influenced by parameters such as size, boundary, and number of layers. Important quantities such as electron density of states, energy band structure will be obtained. This research will shed light on our understanding of graphene quantum dots. Meanwhile, it may play an important role in propelling the application of large-area graphene in integrated opto-electronics.

当石墨烯尺寸小到一定程度并经过适当的表面改性，就成为具有光致发光效应的石墨烯量子点，这在生物医学研究领域具有重要的应用前景。目前，人们主要采用湿法工艺制备这种石墨烯量子点。对于特定基底上的石墨烯，发展干法刻蚀技术直接获得石墨烯量子点对光电集成至关重要。本项目中，我们对SiO2/Si基底上的石墨烯采用基于臭氧刻蚀的干法技术制备石墨烯量子点阵列，实现其光致发光。在低温下，利用扫描近场光学显微镜（SNOM）同步探测石墨烯量子点阵列形貌、光学强度分布和光谱，研究光致发光性质与尺寸、边界、层数等因素之间的关系，获得电子态密度、精细能带结构等量子物理信息。这项研究不仅为深入理解石墨烯量子点提供有益的借鉴，而且它对于进一步推动大面积石墨烯在光电集成领域的应用具有重要意义。

利用干法刻蚀工艺在大面积石墨烯薄膜上直接制备出具有光致发光的纳米结构，这在光电集成器件领域具有重要应用。在过去三年中，我们紧紧围绕本项目开展了利用紫外光氧化方法制备石墨烯纳米结构和光学、光电性质的研究。本项目开展过程中，主要取得以下研究进展：（1）在国际上率先研制出以低压汞灯为光源的紫外光氧化高真空设备系统，获得授权国家发明专利2项。（2）首次利用紫外光氧化方法实现了多层石墨烯薄膜纳米结构的光致发光。通过研究紫外光氧化过程中基底温度对石墨烯纳米结构形貌、表面化学功能团等参数的影响，弄清了紫外光氧化过程中氧激子与石墨烯发生光化学反应的动态过程，并发现常温和高温(120 ℃)下制备的石墨烯纳米结构具有不同的光致发光机理。（3）自主研制出一套以氙灯准分子放电管为光源的紫外光氧化真空设备系统，首次发现该紫外光源对氮气的解离效应，提出紫外光氮化概念，正在开展石墨烯薄膜紫外光氮化研究。（4）成功制备出石墨烯薄膜单电子元件和阵列，搭建了石墨烯电子元件载流子输运和光电响应测试平台。本项目实施过程中取得的成果为进一步拓展本项目奠定了基础。.本项目实施过程中，初步形成了石墨烯研究小组，并逐步完善了实验室基础建设。目前，正协助指导博士研究生2名，硕士研究生3名。