氧化石墨烯基PN结性能提升与材料学机制研究

20250124

电力、热力、燃气及水生产和供应业

针对项目目标，开发并完善了GO薄膜的制备工艺，深入研究了GO材料禁带宽度、载流子浓度、载流子迁移率的影响机制，并基于相应的研究结果，从材料学层面提出了相应的改良方案，设计并制备了GO基PN结，并对GO基PN结的半导体与光电性能开展了充分的研究。 （1）提出使用超声雾化喷涂法制备GO薄膜的方法 在现有GO薄膜制备技术研究基础上，提出使用超声雾化喷涂法制备GO薄膜。制备过程中GO薄膜表面生成的结构性缺陷是GO材料研究的主要阻碍。在分析GO薄膜结构性缺陷生成原因后，提出将GO的溶剂由水替换为乙醇溶剂，从而降低溶液的表面张力，降低液滴气化过程对薄膜的负作用，并改善GO片层的附着行为。通过该方法可以制备得到厚度1001000nm的GO薄膜，其结构均一性良好，几何可塑性较强。超声雾化喷涂技术具有雾化程度高、参数控制性强、沉积速率加快等优点，同时适用于实验级样品制备与大尺寸薄膜生产，具有较强的实用化潜力。 （2）研究了光照还原、化学还原与热还原GO禁带宽度调节方法 选择热还原作为本项目中GO禁带宽度调控工艺的技术路线。经过热还原改性后的GO具有较宽的禁带宽度可调控区间。在140400℃的热还原温度区间内，GO的光激发禁带宽度可以达到0.49~3.90eV。热还原禁带宽度调控过程具有显著的连续性，可以通过提高变温精度实现GO禁带宽度的精确调节，其禁带宽度调节误差可达到0.1eV以下。实验结果显示，热还原过程中以含氧官能团的逸散为主。含氧官能团（特别是具有强吸电子能力的含氧官能团，例如羧基和硝基）占比的下降与GO禁带宽度的下降具有较强的同步性。 （3）制备得到了带有P型/N型半导体性质的GO薄膜 通过喷涂1-硝基芘/1-氨基芘与GO的混合溶液，制备得到了带有P型/N型半导体性质的GO薄膜。通过控制GO中1-胺基芘和1-硝基芘的掺杂浓度，实现了对GO载流子浓度的连续性调节，明确了芳香烃吸附浓度对GO载流子浓度的影响机制。1-硝基芘/1-氨基芘在热还原过程中表现出了良好的化学稳定性，对GO微观结构与禁带宽度影响较小。相较通过化学还原调控载流子浓度的方法，芳香烃吸附改性过程温和，无需考虑改性过程中对反应温度和反应时长的控制，可以实现连续性的载流子浓度改性，具备精确且易于操作的优势，为GO基PN结的制备提供可行路线。 （4）揭示了GO载流子迁移率是影响GO材料电导率的关键性因素 基于GO薄膜的制备工艺与GO基PN结的设计方案的合理性，将研究重点聚焦于GO载流子层间迁移率的影响机制与调控方法。研究结果显示，GO载流子层间迁移率主要受GO片层平均间距影响。GO片层平均间距越大，载流子进行层间跃迁所需的活化能越高，宏观表现为GO薄膜的层间载流子迁移率与纵向电导率下降。基于上述研究结果提出，通过在垂直于GO片层方向上加压的方式降低GO片层的平均间距，实现了GO片层间载流子迁移率的提升。

面向可再生能源电力领域，发布项目转化成果信息，通过各种渠道和方式，将成果推广到潜在用户和市场。

可国（境）内外转让

推动GO材料的广泛应用，拓宽半导体材料的可选择范围，改善光电材料的综合性能。

北京市自然科学基金青年项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

在现有GO薄膜制备技术研究基础上，提出使用超声雾化喷涂法制备GO薄膜。制备过程中GO薄膜表面生成的结构性缺陷是GO材料研究的主要阻碍。在分析GO薄膜结构性缺陷生成原因后，提出将GO的溶剂由水替换为乙醇溶剂，从而降低溶液的表面张力，降低液滴气化过程对薄膜的负作用，并改善GO片层的附着行为。通过该方法可以制备得到厚度1001000nm的GO薄膜，其结构均一性良好，几何可塑性较强。超声雾化喷涂技术具有雾化程度高、参数控制性强、沉积速率加快等优点，同时适用于实验级样品制备与大尺寸薄膜生产，具有较强的实用化潜力。 研究了光照还原、化学还原与热还原GO禁带宽度调节方法。由于热还原法可以达到较高的还原程度，并且其还原过程连续、可控，易于操作，选择热还原作为本项目中GO禁带宽度调控工艺的技术路线。经过热还原改性后的GO具有较宽的禁带宽度可调控区间。在140400℃的热还原温度区间内，GO的光激发禁带宽度可以达到0.49~3.90eV。热还原禁带宽度调控过程具有显著的连续性，可以通过提高变温精度实现GO禁带宽度的精确调节，其禁带宽度调节误差可达到0.1eV以下。实验结果显示，热还原过程中以含氧官能团的逸散为主。含氧官能团（特别是具有强吸电子能力的含氧官能团，例如羧基和硝基）占比的下降与GO禁带宽度的下降具有较强的同步性。 通过喷涂1-硝基芘/1-氨基芘与GO的混合溶液，制备得到了带有P型/N型半导体性质的GO薄膜。通过控制GO中1-胺基芘和1-硝基芘的掺杂浓度，实现了对GO载流子浓度的连续性调节，明确了芳香烃吸附浓度对GO载流子浓度的影响机制。1-硝基芘/1-氨基芘在热还原过程中表现出了良好的化学稳定性，对GO微观结构与禁带宽度影响较小。相较通过化学还原调控载流子浓度的方法，芳香烃吸附改性过程温和，无需考虑改性过程中对反应温度和反应时长的控制，可以实现连续性的载流子浓度改性，具备精确且易于操作的优势，为GO基PN结的制备提供可行路线。 GO载流子迁移率是影响GO材料电导率的关键性因素。基于GO薄膜的制备工艺与GO基PN结的设计方案的合理性，将研究重点聚焦于GO载流子层间迁移率的影响机制与调控方法。研究结果显示，GO载流子层间迁移率主要受GO片层平均间距影响。GO片层平均间距越大，载流子进行层间跃迁所需的活化能越高，宏观表现为GO薄膜的层间载流子迁移率与纵向电导率下降。基于上述研究结果，提出，通过在垂直于GO片层方向上加压的方式降低GO片层的平均间距，实现了GO片层间载流子迁移率的提升。 通过在ITO-二氧化硅基底表面依次制备了N型与P型GO薄膜，两层薄膜紧密接触形成GO基PN结。N型与P型GO薄膜接触界面平整，有利于空间电荷区的形成。GO基PN结展现出了较显著的PN结性质，其整流比可达到5以上。在253.7nm波长紫外光照射下，GO基PN结呈现出较明显的光电性质，其光生开路电压最高可达到2.43V，最大输出功率可达到0.86mW，能量转化效率可达到0.323‰。该GO基PN结的光生电压受GO的热还原温度与禁带宽度影响，表现出较强的半导体性质可调节性。 在本项研究中较充分地完成了项目指标，开发并完善了GO薄膜的制备工艺，深入研究了GO材料禁带宽度、载流子浓度、载流子迁移率的影响机制，并基于相应的研究结果，从材料学层面提出了相应的改良方案，设计并制备了GO基PN结，并对GO基PN结的半导体与光电性能开展了充分的研究。基于相关研究结果申请国家发明专利2项，撰写SCI期刊论文2篇。