石墨烯的能带调制技术及光电性质研究

石墨烯具有一系列特殊的物理和化学性质，因而近年来受到人们的极大关注。然而目前石墨烯在光电子领域的应用尚不广泛，其主要原因是由石墨烯的半金属性决定的，所以将石墨烯由半金属转变为半导体就成为人们关注的一个焦点问题。本项目针对石墨烯能带调制问题拟开展石墨烯基材料的量子化学计算，研究分子结构和能级间的关系，探讨尺寸效应、掺杂元素等对石墨烯能带宽度和能带位置调制的影响。在理论计算指导下，选择合适的生长条件，开展石墨烯基材料的界面反应技术研究和石墨烯量子点制备研究，对反应温度、生长时间、源浓度等反应条件进行不断优化，制备出厚度、能带、光学性质及电学性质可调的石墨烯基半导体材料，基于所制备的材料，开展金属镀膜、光刻、显影、引线、封装等石墨烯基光电探测器制程工艺研究，制备石墨烯基光电探测器原型器件，揭示石墨烯基材料金属至半导体转变的内在机理，验证材料的半导体性质，最终建立一套石墨烯能带调制技术。

本项目围绕石墨烯基薄膜、石墨烯量子点、掺杂型石墨烯的设计、合成、表征，以及光电器件的制备进行了系统的研究工作，通过三年的努力，在石墨烯基材料的制备及其光电子领域的应用方面取得了一系列的研究进展。. 在石墨烯基薄膜制备方面，以葡萄糖、蔗糖、果糖等为反应源，以去离子水为溶剂，在水热条件下，进行氧化石墨烯的Bottom-Up合成。通过调节和优化反应源浓度、反应温度、反应时间等制备参数，制备得到了不同厚度的氧化石墨烯薄膜。开发了氧化石墨烯薄膜的转移技术。对原生氧化石墨烯薄膜进行热处理，调节了氧和氢元素含量，进而调制了石墨烯的结构、光学及电学性质。. 在石墨烯量子点制备方面，使用微波辅助水热法制备得到了尺寸在1.5至60nm可调的石墨烯量子点。研究发现石墨烯量子点的表面含有-OH、-C-O-C、C=O等官能团，这些官能团增加了石墨烯的水溶性。此外，这些官能团也是量子点表面的“钝化剂”。石墨烯量子点在UV波段228nm及 282nm处有吸收。研究亦发现，石墨烯量子点具有深紫外光致发光特性。此外，以表面活性剂PEG为软模板，制备了不同尺寸的石墨烯量子点。. 在掺杂型石墨烯量子点的研究方面，以氨和葡萄糖为反应原料，在常温、常压下制备得到了氮掺杂石墨烯量子点（N-GQD）。HR-TEM表征表明材料为结晶性良好的量子点；XPS研究发现氮以Pyridinic-N、Pyrrolic-N和Graphitic-N三种形式存在。以葡萄糖和氨水为反应源，用微波辅助水热技术合成制备得到一系列不同尺寸的氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs），基于该材料制备了光电探测器，器件的光伏响应率高达325 V/W。采用水热反应技术，以果糖和盐酸为原料，制备得到了氯掺杂石墨烯量子点（Cl-GQD）材料。研究发现Cl-GQD具有多色发光特性。多色发光特性源自于氯掺杂能级的引入，使得电子跃迁模式多样化。以脱脂棉为原料，采用超声剥离法制备了氯掺杂石墨烯量子点。基于所制备的Cl-GQDs，制备了光伏探测器，室温下获得光/暗电流之比高达五个数量级的探测器。. 通过本项目的实施，取得了一系列科研成果。发表论文22篇，其中SCI论文14篇。申报国家发明专利2项。培养了博士后1名，硕士研究生4名。组建了一支石墨烯材料及器件制备、表征的人才队伍，与香港理工大学建立了良好的学术合作关系。