磷烯-石墨烯复合材料的制备及其生物光电化学性能研究

磷烯-石墨烯复合材料的制备及其生物光电化学性能研究

元秀华,张弘施,徐丁,刘陈菁,刘爱华

深圳市恒康泰医疗科技有限公司 518100

摘要:石墨烯是目前发现唯一存在的二维自由态原子晶体。其独特的二维结构和优异的电学、光学、力学以及热学性能,是当前纳米材料领域的研究热点之一。本文综述了石墨烯的制备方法,介绍了其光学、电学性能及在光电应用中的研究进展。同时,对目前石墨烯在光电领域的发展趋势进行了展望。

关键词:石墨烯；光电性能；合成；应用

2004年,英国曼彻斯特大学Geim等通过机械力从石墨晶体表面剥离出石墨烯片层。由sp2杂化的碳原子以六边形排列形成蜂窝状二维碳质材料,为单原子层厚度的石墨材料,其厚度仅为0.335nm日。石墨烯具有完美的杂化结构,大的共轭体系使其电子传输能力很强。在室温下,其电子迁移率为200000cm2/V·s四。同时,石墨烯独特的结构使其具有完美的量子隧道效应和量子霍尔效应等特殊的性质。

1石墨烯的制备方法

1.1微机械剥离法

2004年，首次制得的石墨烯就是通过机械剥离法。这种方法是借助摩擦石墨表面获得的片层,最终通过筛选,获得单层的石墨烯薄片。该方法工艺简单、成本低廉。但是机械剥离制得的石墨烯在结构上不完整,对石墨烯的属性研究是无价值的,并且这种方法获得石墨烯尺寸不易控制,无法满足应用要求。石墨烯优越的电子迁移性质需要较大规模的石墨烯甲[1]。此方法利用摩擦石墨表面获得的片层来筛选出单层的石墨烯薄片,其尺寸不易控制,无法可靠地制造长度足供应用的石墨烯薄片。以下阐述的合成方法将避免这样的不足。

1.2化学气相沉积法

化学气相沉积法制备石墨烯是利用各种源气体与载体气体间的化学反应,在基体上沉积出片或薄层的形式。该方法对基质的选择和处理是十分重要的。不同金属基质的表面光滑度不同,故制得的石墨烯的结构、厚度也有所区别。例如,在H2气氛下,对基质镍进行热处理,可以得到厚度均匀的石墨烯薄片。这是由于H2可以除去镍上存在的S和P等杂质。因为S和P的存在使碳的流动性发生了变化，从而改变石墨烯薄片的厚度。

1.3晶体外延生长法

外延生长法是在晶体结构上通过晶格匹配生长出另一种晶体的方法。在二十世纪九十年代中期,人们就已经发现SiC单晶加热至一-定温度会发生石墨化现象。因此SiC外延生长可制得单层和多层的石墨烯。SiC单晶外延生长石墨烯的基本工艺如下:首先把经过氧化或H2刻蚀处理过的SiC单晶片置于超高真空和高温环境下,利用电子束轰击SiC单晶片除去表面氧化物，然后在高温条件下将其表面层中的Si原子蒸发,使其表面的碳原子发生重构。从而,石墨烯在SiC单晶片表面外延生长出来。外延生长的过程先在SiC的表面生成,然后逐渐向内扩展07.8。与其它制备方法相比,该法不仅均--性好,而且最有可能获得大表面积、高质量的石墨烯。与当前的集成电路技术有很好的兼容性。

1.4胶体悬浮液法

胶体悬浮液法是利用拥有大量的羟基、环氧基和羧基等基团的氧化石墨为前驱体,超声剥离制得石墨烯。在酸和氧化剂的存在下对石墨进行氧化处理。石墨常用的氧化法有:Brodie法、Standenmaier法和Hummers法。其中Hummers法较为常用,以往的报道也很多,在此不再赘述。)用30%的H2O2还原剩余的氧化剂。最后过滤、洗涤、真空干燥得到氧化石墨。然后再通过化学法将氧化石墨烯还原为石墨烯。该法原料来源丰富、价格低廉,为石墨烯的大规模、低成本生产提供了可能。但是,该法经氧化石墨还原后得到的石墨烯存在缺陷,即还原后的石墨烯仍含有部分含氧官能团,从而降低了石墨烯的电导率。

2石墨烯的光电性质

2.1石墨烯的光学性质

在可见光区,单原子层厚度的石墨烯所反射的光小于入射光的0.1%,当达到数十层时,会上升到2%左右。在可见光区,其对可见光的吸收大约为2.3%。在正常情况下,大部分电子占据低能量状态,只有少数会填充高能量状态。而在粒子数倒转状态下情况正好相反。由此,在石墨烯中,新的状态产生了可见的红外光增益。

2.2石墨烯的电学性质

石墨烯具有良好的导电性能。石墨烯中碳原子有4个价电子,其中3个电子生成sp2键,即每个碳原子贡献一个未成键的电子位于pz轨道,近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向形成π键,为半填满状态,电子可以在二维晶体内自由移动。由于原子间作用力十分强,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯内部电子输送受到的干扰也非常小。石墨烯的价带电子和导带电子相交于费米能级处,即形成所谓的狄拉克锥结构，是能隙为零的半导体,为目前已发现电阻率最小的材料。

3石墨烯光电应用领域

3.1光电探测器

光电探测器是将光信号或光能转化为电流。传统的光电探测器大多基于传统的半导体材料,它们的性能会受到材料固有属性的限制。与传统半导体相比,石墨烯没有能带隙,可吸收较大波长范围的光。此外，异常高的载流子迁移率使石墨烯成为超快光电探测器的理想材料。最近,Ecthermeyer和Liu等分别用金属等离子体与石墨烯进行复合,该方法制得的纳米结构修饰的石墨烯光电探测器的光电流达到6mA/W,这比没有等离子体纳米结构的器件要高-一个数量级。这是由于等离子体共振提高了纳米结构的性能,单原子层厚度的石墨烯可以充分地受到等离子体增强效应的影响。此外,泵探针测量证明石墨烯光电探测器表现出较高的响应速度。

3.2透明导体

透明导体是触摸屏、发光二极管和太阳能电池等对表面电阻和高透明度要求较高器件的核心部分。当作为电极时,设备必须满足光的传入或传出的条件。传统的透明导体由高度掺杂的半导体氧化物组成,例如氧化铟锡(ITO)。但是,传统的透明导体的应用受到以下几个因素的限制:机械的脆性不利于它们作为有弹性的显示器；铟元素的短缺使得这样的显示器价格居高不下；铟原子的扩散会污染周围的薄片,并降低设备的性能。为了满足对透明导体日益增长的需求,研发新技术变的尤为迫切。石墨烯与硅、金属和碳纳米管组成的复合材料可以作为透明导体薄膜。其中,石墨烯-硅薄膜的透明度高达94%，且薄层的电导率为0.45S/cm。该类复合材料作为透明导体具有优良的综合性能。

3.3光学调制器

光学调制器是利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。它们常常用于芯片。上光学互联,并且在针对电气连接的局限性如高损耗、串扰和有限速度方面变得越来越重要。光学调制器和集成芯片需要高速、较大的光学带宽和小脚位。硅基光学调制器的场效应很弱,产生毫米大小的脚位[2]。这增加了插入损耗和妨碍了高速性能。与目前半导体材料相比,石墨烯不仅具有高载波移动性和较大的光学带宽等特性,还具有兼容性、低成本以及强大的调制能力,这些都是高性能光学调制器必不可少的功能。最近研究报道,石墨烯基光学调制器操作频率达到1GHz,，脚位只有25μm2并且光学带宽的范围在1.35μm到1.6μm之间,大大地超过了当今调制器的性能。

4展望

石墨烯以其独特的结构、性质以及潜在的应用,自发现以来已成为化学、材料、物理等众多领域的研究热点。综上所述，目前制备技术存在石墨烯尺寸分布不均、难以批量生产以及性能难以精确控制等瓶颈问题。因此，通过介绍不同途径设计和批量制备大尺寸、层数和性能可控的石墨烯是下一步制备技术研究的重点。

参考文献

[1]刘福燕. 铁系金属氧化物的制备、（光）电化学性能及应用的研究[D].山东大学,2021.DOI:10.27272/d.cnki.gshdu.2021.000046.

[2]王洋. 石墨烯/TiO_2基纳米材料结构优化及光电化学性能研究[D].中国地质大学,2018.