石墨烯/碳量子点复合材料的制备及光电性质研究

Low dimensional carbon-based nanomaterials (including zero-dimensional fullerene (C60), quasi zero-dimensional carbon quantum dots (CQDs) ,one-dimensional carbon nanotubes (CNTs) , and two dimensional graphene sheets (GS)) have attracted tremendous attentions due to their extraordinary and interesting electronic, optical, mechanical, thermal, and optoelectronic properties. Combining the low dimensional carbon nanomaterials to construct hybrid structures, it should be able to remedy the limitation belong to the pure forms of these materials, generate unprecedented physical properties and provide a potential pathway for constructing novel carbon based devices. In this project we will design and synthesize a series of GS/CQDs hybrid materials using GS and CQDs as building-blocks for the application to photovoltaic devices. The research content includes: developing an easy low cost apporach for preparation of GS/CQDs hybrid structures; investigation the band gap tuning mechanism as well as the main electronic and optical properties in the GS/CQDs through the use of heteroatom doping. Continuing with the exploitation of the potential of GS/CQDs as photovoltaic materials, we provide the first attempt for the integration of GS/CQDs hybrids to create novel all-carbon photovoltaic devices with enhanced performance. These results should be beneficial for the future development of all carbon-based, cheap, and non-toxic optoelectronics devices. This study will promote the fundamental research of low dimensions carbon-based hybrids to practical application.

近年来，低维度碳纳米材料(如零维的富勒烯，准零维的碳量子点，一维的碳纳米管和二维的石墨烯)因具有独特的电学﹑光学﹑机械﹑热力学以及光电学等特性而受到持续的关注。与单一维度碳材料相比，两种或以上低维度碳材料构筑而成的杂化结构，既能弥补彼此的性质缺陷，还具有单一维度材料没有的特殊性质和功能。基于此，本课题将碳量子点和石墨烯作为构筑基元用于制备石墨烯/碳量子点复合材料，并对相关材料的光电性质展开研究。具体研究内容包括：发展一种低成本制备石墨烯/碳量子点杂化结构的新途径；通过杂原子掺杂调控石墨烯/碳量子点复合物的光电性质，研究杂原子掺杂对相关材料能带水平的调控和光电性质的影响；在此基础上，探究石墨烯/碳量子点用作光伏材料的应用潜力，首次用石墨烯/碳量子点材料制备全碳的太阳能电池器件。本项目的研究结果将会促进低成本﹑低毒﹑柔性光伏器件的开发，也有助于低维度碳纳米材料在基础研究和实际应用方面的发展。

项目背景：探究新型常效量子点材料的合成新方法具有较大的意义。碳点的出现被认为是荧光材料发展的又一次飞跃，代表了发光纳米粒子研究进入了一个新的阶段。现阶段，开发新型碳点材料并将其用于制备高性能光电器件，还需要摸索更加合理的制备方法、材料结构以及器件制作工艺。.主要研究内容：本项目探究了通过有机小分子作为前驱体制备零维碳点和二维石墨烯类似物的方法、反应机理、结构形貌以及光电学等性质。在此基础上，构筑了由碳点和石墨烯构筑而成的低维度碳纳米复合结构，并实现了其在高效光电转化电池器件中的应用。.重要结果及关键数据：.1. 通过氮、硫双原子共掺杂，碳点的能带间隙能够有效降低（从3.99eV降低到3.05eV），光吸收范围能够从448nm红移到478nm。同时，掺杂能够显著提高碳点材料的光电流响应性能（从36.5 μA/cm2增加到144.2μA/cm2）；.2. 氮、硫双原子共掺杂的碳点属于电子传输型材料，能够和氧化石墨烯形成p-n结型复合材料。该复合材料可以通过电沉积方法快速组装，具有操作简便、薄膜厚度可控、光电流响应强度大、稳定性好等优点。同时，该复合材料制作的固体光检测器件具有良好的器件性能（11.1±0.25 μA/cm2）；.3. 在离子液体辅助合成条件下，有机小分子可以通过热聚合法转化成碳点和石墨烯类似物。通过控制反应时间，可以有效调节碳点和石墨烯类似物的尺寸；.4. 碳点的发光机理探究发现，碳点骨架中含有的推-拉电子结构官能团单元是其荧光发射的重要来源。部分具有极高荧光量子产率的碳点的发光可以归因于有机发光团的存在。本项目合成的具有推-拉电子结构的有机小分子显示出极高的荧光量子产率（绝对量子产率大于89%）；.5. 氮原子掺杂的石墨烯类似物为电子传输型材料，具有良好的光电响应及电致发光特性。其在光催化降解有机污染物以及电分析检测方面具有良好的应用性能。.科学意义：.1. 本项目成功地发展了一种低成本制备碳纳米结构材料的新途径；.2. 本项目的部分成果为解释碳点的荧光机理提供了重要的参考依据；.3. 进一步促进低成本﹑低毒﹑柔性光伏器件的开发，也有助于低维度碳纳米材料在基础研究和实际应用方面的发展。