石墨烯/气凝胶结构硅异质结薄膜的镁热还原制备及其光电特性

With the development of graphene, the research regarding graphene/silicon Schottky heterostructures has been rising rapidly in recent years. However, challenges still remain for high-performance silicon-based Schottky optoelectronic devices, which focuses on exploring large-area, high-quality and transfer-free graphene films as well as silicon thin films with high sensitivity, high absorption intensity, and wide spectral response. In this project, we demonstrate the controllable synthesis of graphene/nanocrystlline silicon aerogels (G/nc-SAG) thin-film heterostructures from the stacked graphene oxide/silica (G/SiO2) aerogels films by using a template-confined magnesiothermic co-reduction process. High crystallinity and modulating bandgap of graphene sheets can be achieved by magnesiothermic reduction of graphene oxide. The abundant silica resource for preparing nanocrystalline silicon films is utilized, instead of dangerous silane used in traditional methods, and the large surface area of aerogels endows the nanocrystalline silicon films with high efficiency of light absorption and wide spectral response. Besides, the in-situ growth of G/Si heterostructures without laminated transfer will be also achieved. The optical, optoelectronic properties of these G/nc-SAG heterostructured films will be probed. Moreover, the effects on optoelectronic properties (e. g. light absorption, I-V curves, quantum efficiency and on-off ratio) of these G/nc-SAG aerogel films will be investigated, and their applications in Schottky photodetectors will be also explored.

随着石墨烯的兴起，石墨烯/硅异质叠层结构的研究也迅速发展起来，成为新型肖特基光电器件领域的热点。然而，高灵敏度、高吸收率和宽光谱响应的硅基薄膜以及大面积、高质量和无转移石墨烯薄膜的可控制备与界面调控是高性能石墨烯/硅肖特基光电器件研究面临的挑战。本研究利用模板限制镁热共还原方法将氧化石墨烯/氧化硅气凝胶叠层薄膜一步转化为微结构及界面可控的石墨烯/纳米硅异质结薄膜。通过镁热还原反应实现氧化石墨烯还原程度和结晶度的提高以及能带的调控；以氧化硅代替危险的气态硅源合成纳米硅，并把气凝胶结构引入纳米硅薄膜以增强吸光效率和拓展光谱响应范围；原位生成石墨烯/硅异质界面以避免薄膜叠层转移过程。研究薄膜的光伏特性，分析薄膜光吸收、电压/电流、量子效率和开关比等特性的影响因素及变化规律，提出增强薄膜光电特性的方案，并探索其在肖特基光电探测器中的应用。

随着光电子技术的飞速发展，透明电极在光电器件中的应用也越来越广泛。石墨烯作为一种重要的透明电极材料，在太阳能电池、光电探测器、触摸显示屏等领域颇具应用前景。本项目聚焦于石墨烯薄膜、硅气凝胶薄膜的制备及光电特性研究，按照课题研究方案与实际工作任务开展了以下几个方面的工作：（1）实现了纳米晶硅气凝胶的镁热还原模板限制合成及光学特性研究。弄清了模板限制条件下氧化硅的镁热还原反应动力学机理，确定了最佳反应条件，实现了对还原产物微观形貌的控制。分析了材料的形貌、物相、成分和微观结构等特性，探究了纳米晶硅气凝胶的表面结构与光学性能的关系。（2）突破了三维结构氧化物表面化学气相沉积生长石墨烯的技术瓶颈，提出了一种以石英粉为生长基底可控制备高结晶度石墨烯粉体的方法。实现了多级结构粉体石墨烯的可控生长，建立了氧化硅表面石墨烯的高结晶度生长控制方法，克服了石墨烯片层之间相互吸引的问题，制备了石墨烯粉体的分散液。研究了石墨烯在MnO粉体表面的生长及应用，深入讨论了石墨烯缺陷结构与基底表面特性的关系，有效避免了石墨烯缺陷结构的产生，获得了少缺陷的石墨烯片层。（3）开展了柔性光电器件用石墨烯薄膜透明电极研究，探索了石墨烯微观异质结的光电特性。采用模板限制的化学气相沉积法所制备的石墨烯粉体结晶度高、生长层数可控、表面无富氧官能团，且保留了原始模板的分级结构，表现出较弱的层间相互作用力。这就使所制备的石墨烯粉体展现出良好的溶液可加工性，进而与工业上常见的液相涂膜、喷墨印刷和卷对卷热转印等工艺兼容，在石墨烯透明电极等光电器件应用方面表现出较强的应用潜力。开发了基于π-π共轭相互作用的自分散石墨烯/石墨相氮化碳功能复合材料，探索了石墨烯/g-C3N4薄膜的能带结构理论模型，阐明电荷转移过程和光电催化反应结果。.通过上述研究，在ACS Nano（SCI一区，影响因子13.7）、Energy Storage Materials（SCI， CiteScore: 13.3）、Nanoscale Research Letters等高水平SCI期刊上发表论文3篇，另有2篇在整理投稿中。公开国家发明专利1项。在国内外学术会议上作邀请报告1次，口头报告3次。培养毕业硕士研究生2名，在读硕士研究生3名。获省级人才计划1项。