石墨烯光电探测器
石墨烯光电探测器
第一节纯石墨烯光电探测器
2.1.1 石墨烯光电探测的相关原理
有关石墨烯光电探测和光电子应用的关键原理已经被报道。这里包括光伏效应，光的热效应，热辐射效应，光选择效应和等离子体波辅助机制。
（a）（b）
（c）（d）
图2.1 石墨烯光电探测原理（a）光伏效应；（b）光热电效应；（c）测辐射热效应；（d）
辅助的等离子体波机制(引自[27])
光伏效应
光伏电流来源于由不同掺杂区域连接处内部电场或外置电场所产生的光生电子分离。石墨烯是半导体，自身会产生了大量的暗电流，不适于外置电路。内置区域可以用本身的化学掺杂，通过选通脉冲产生静电效应或者通过利用好在石墨烯和金属接触点的功函数差别来引入。石墨烯通道可为P型或N型。光电流的
方向仅依赖于电场，而非整体的掺杂程度。因而其可从p-n到n-p，或者从p-p+到p+-p之间转换信号。
光热电效应
辅助热载流子输运在石墨烯中扮演重要地位。由于这种强烈的电子-电子相互作用，光激电子对可以给载流子快速（~10-50fs）加热。因为光频声子能量（~200meV）在石墨烯中很大，辐射产生的热载流子可以保持在一个温度
上。最终热电子会与晶格之间得到平衡。
光生热电子通过光热电效应（即PTE或塞贝克效应）产生光电压=（-），其中（在V ）是不同掺杂石墨烯区域的热电动力（温差电势率），是不同区域电子温度差。
辐射热效应
辐射热效应与由入射光子产热导致的输运电导率变化相关。一个辐射热计可以通过吸收入射辐射dP，并读出导致的温度变化量dT来测量电磁辐射的强度。辐射热计的关键常数有电阻=dT/dP，还有热容量，其决定了响应时间=[28]。石墨烯有很小的体积和很低的态密度，因而得到很低的和一个很高的响应度。这里不直接产生的光电流，而要求有外置的偏压，不需要引进p-n结。
由入射光引起的电导率变化可归于以下两种机制：⑴由于相关温度改变引起载流子迁移率的改变；⑵对电流有贡献的载流子数目的改变（如PV效应)。
光门效应
光门效应是基于GRM载流子浓度n引起的光诱导的改变，因而其电导率=。第一，电子-空穴对的生成发生在GRM 中，随后其中之一被复合（例如在陷阱电荷中或者附近纳米粒子的分子中）。第二，电子-空穴对生成发生在GRM附近的纳米粒子中，分子，或者陷阱电荷中。接着，一种载流子转移到GRM，同时其他的载流子待在微粒，分子或者陷阱中。
通过运用高迁移率的导体和长的响应时间，提高光电导的增益。同时，长的减慢了运行速度。因而这类探测器可以被用在低的暂时频带宽度上，例如视频图像电流。所以合适的评估不仅来自响应度，还有其噪声等效功率（NEP）和特殊的探测能力。
辅助的等离子体波机制
Dyakonov和Shur提出了一个光电探测的方案，即通过凭借场效应晶体管
（FET）来产生有限直流电压来回应振荡的辐射场。一个拥有2维电子气体的FET 可以扮演一个等离子体波的腔体（即密度振荡）。这些等离子体波只受到微弱的阻挡（即在衰减完之前可从源极到达漏极），辐射探测利用了等离子体波在腔体当中的相长干涉，从而引起共振的加强反应。在[29]中，由于THz辐射激发出的等离子体波是过阻尼的，因而不能运行在共振模式。
漏源极之间的电势差包含了直流的部分，即使进来的场是交流的，即得到了信号整流效果。这对于THz辐射探测来说非常有用。整流的出现是因为FET通道中2维的电子气体非线性的响应（在[30]中，包括2维电子气体流体动力学非线性响应）。
2.1.2 纯石墨烯光电探测器
石墨烯光电流的产生机理
（a）（b）
图2.2 （a）上边：双通道的石墨烯探测器（拥有不同掺杂区域）对激光束的探测。下边：对应上面器件上扫描电流的分布；（b）热载流子（HC）和光伏效应分别产生的光电流与迁移率之间的关系（（a）引自[55]，（b）引自[56]）
F．Xia等人采用局部扫描光电流成像的方法，得出金属接触对石墨烯通道的电子结构有显著影响，如图2.2（a）。这种影响延伸到了接触以外几百纳米的范围，随着栅偏压的改变，石墨烯中的费米能级位置变化。从而形成PNP或者NPN 的电子分布，并且在PN结处光电流的强度最强。
在[31,32,33]介绍中，Xu X等人从理论和实验上得出在pn结附近或者在单层和双层石墨烯（即SLG和BLG）界面上的光响应都受制于PTE效应。Dong Sun等人认为连续波激励的作用下，电子和晶格温度相当，电学测量的速度受到限制，
这使我们无法分辨光电流是受内建电场还是光热电效应的主导，也无法确定热载流子传输和可能存在的载流子倍增效应对高速器件的影响。他们通过制作背栅和项栅的双栅石墨烯器件，利用超快激光泵浦探测技术，得出结论：光电流由光激发后热载流子温差电效应与内建电场效应导致的光生电流共同组成，其比例取决于栅电压与PN结处的具体参数。
相较于PV效应，PTE电流在双极p-n结和单极结上会出现电流反转，导致了光电流信号六倍的变化。即由PV效应与PTE效应产生的光电流相抵制，这可以用来区别两者，如图2.2（b）。在石墨烯金属界面上的关于光响应的波长和极化的测量可以被用来衡量和控制PTE与PV效应的相对贡献，后者在长波方面效果更加显著。
迄今为止，对于石墨烯中光电流的产生机理有两种理论：（1）由于功函数不同，金属与石墨烯接触产生的内建电场分离光生载流子从而产生了光电流，即PV 效应；（2）由于光的激励，石墨烯载流子变为热载流子，由于温差电效应导致光电流产生，即PTE效应。
金属-石墨烯-金属光电探测器
2009年，Xia F N等人制备出了第一个石墨烯光电探测器（G-PD）。他们采用石墨烯为有源区，以热氧化二氧化硅的硅片为衬底，其在光照下总电流有明显的偏移，说明此器件可用于光探测，且在无外加偏压时有可观的光电流产生，这有效降低了器件暗电流影响。研究指出G–PD带宽主要受RC时间常数的限制，理论计算得到石墨烯探测器的带宽可高于500 GHz，IQEs占带宽的6-16%。
（a）（b）
图2.3 （a）不对称金属的能带轮廓，PC为光电流；（b）拥有Pd-Ti不对称插指电极结构的
石墨烯探测器（引自[57]）
其中金属-石墨烯-金属光电探测器的光电流受制于由各自金属与石墨烯接触面转移的电荷所生成的场，因此可挑选合适金属来调整，还可通过静电门掺杂来
加强。另外，具有Fe夹层的石墨烯多分子层可实现一个全部基于石墨烯的探测器。
前述中G-PD在两个电极附近均有光照时，由于相同的金属接触产生大小相等方向相反的内电场，从而导致等大反向的光电流，使得总光电流为零。
2010年Thomas Mueller等人提出了改进的不对称插指电极结构的石墨烯探测器(MSM-PD)，如图2.3（a），（b）所示。其增加了有效的光探测区域，进而增加光探测率，又使无源漏偏压时的净光电流不为零，且实现零偏压/零暗电流运行。器件在1550 nm波长入射光下得到了6.1 mA/W的探测率，16 GHz的带宽。
（a）（b）
图2.4 （a）不同的数据流段中的一个覆盖图；（b）高频测试，显示了器件在高达40GHz 的频率下仍然性能良好，插图是在不同的栅极电压下的光响应率（包括直流与高频交流测试）
（引自[57]）
在图2.3（b）中，此MGM-PD被放置在光链路中，从而可以实现一个10Gbit 的数据流无差错光学数据传输。图2.4（a）是不同的数据流段中的一个覆盖图，也表明了在高速数位传输下的数据量。在一个单独的金属-石墨烯结中，在上至40GHz的调制频率下，有0.5 mA/W的响应率，并无没有衰减，进行全光学测量可得到一个262GHz的本身固有带宽。
纯石墨烯光电探测器优点与不足
总的来说，基于石墨烯的光电器件具有几个明显的优势：1）光与石墨烯强烈的相互作用。与化合物半导体相比较，石墨烯拥有更强烈的带间光学跃迁。2）宽带宽操作。石墨烯的光吸收独立于波长，覆盖所有的电讯通信带宽，包括中、远红外。3）高速运行。由于石墨烯载流子迁移率室温下高达200000 /V·s，费米能级可迅速的填充。石墨烯的操作速度限制在皮秒级别（如光载流子的产生和释放），这意味着器件有在500GHz操作的潜能。4）石墨烯独特的光电性能以及能与CMOS技术兼容。
（a）（b）
图2.4（a）单、双层石墨烯对光吸收情况；（b）单层石墨烯与理想狄拉克费米子之间透过滤的差异，内图为不同层数石墨烯透过率（引自[58]）
另外，基于石墨烯的光电器件还有两个主要缺点：1）零带隙和短的载流子寿命。零带隙会给其光电应用带来缺点，例如，当作为光开关时重要的关闭状态，用纯石墨烯作为光电器件活性层时相比传统材料会显著降低开路电压V oc的值。因此，作为光电及光能量转换应用，必须打开石墨烯的带隙。在纯的石墨烯中光生载流子寿命太短（ps尺度）,会导致一个低的内量子效率约为6–16%。2）光电转换效率低。由于石墨烯是世界上最薄的材料，几乎不吸收光(约2.3 %)，如图2.4（a）所示，绝大部分的光线都穿过了石墨烯而无法产生电能。
2.1.3 几种增强石墨烯光电探测性能的方法
石墨烯光电探测器的探测率相比于传统探测器而言还是很小，主要原因在于：(1) 光吸收效率低，单层只有2.3 %的吸收率。(2) 光生载流子的收集困难。这就需要新的光吸收复合材料。
增加光吸收的几种方法
一种增强光吸收的方法是把光集中到光学微型腔体或平面光子晶体的腔体当中。Furchi M等人将石墨烯置于F-P谐振腔中，提出了微腔集成的石墨烯探测器，如图2.5（a）所示。谐振腔应用了分布式布拉格反射体，即四分之一厚的交替材料层，上下高反镜对光的多次反射，进而多次穿过SLG，这使光吸收效率增加到了60 %，得到了2l mA/W的探测效率。如图，虽然响应率的提升牺牲了光谱带宽，但如果一个低损失的腔体可以在满意的波长区域内得以实现，则设计时波
长可以被选择。
（a）（b）
图2.5 （a）光电探测器分别在有/无微谐振腔时光电流随波长的响应图，插图为微谐振腔；
（b）具有波导管的石墨烯探测器（引自[59]）
另一种方法牵涉到石墨烯与光学波导管的平面集成。Kinam Kim等人从理论上提出了波导集成的石墨烯探测器，利用消逝波耦合，将器件设计为侧入射方式，从而提高石墨烯的光吸收效率，如图2.5（b）。20GHz以上带宽和12Gbit
数据处理都已被验证，显示出了其在数据高速传输方面的潜力。报告中的响应频率在0.05-0.13A 范围内，这与先进的GeSn[60]制的光电探测器持平。其是在长波波段（L和U）能与Si光电探测器兼容的最理想候选材料之一。
（a）（b）
图2.6（a）带有等离子激元触角的SLG示意图；（b）探测红外光的石墨烯纳米带（（a）引
自[61]，（b）引自[62]）
第三个提升光响应率的方法是表面等离激元激发导致的场的增强。在金属接触附近制作等离子增强纳米结构，如图2.6（a），利用表面等离子激元与入射光能量的耦合提高吸收效率，这种结构的探测效率可以比普通的提高20倍，频率性能也可以得到提高，且等离子结构对电容的贡献小，降低了接触面处的电阻。
第四种增强来源于石墨烯中电子流体本身的共有的电子振动，如图2.6（b）。排列在Si上不同宽度的石墨烯纳米带被验证可以被看做是温度腔和可调的IR光电探测器。如图2.6（b）中展示的那样，对于一个包含一系列140nm的石墨烯纳米带的探测器来说，增益为1500%。
提高载流子收集能力的几种方法
悬空石墨烯。IBM 研究中心Marcus Freitag等人研制了一种中间悬空的石墨烯光电探测器，发现有Si基底支持的石墨烯和悬空石墨烯之间会形成一个p-n-p结构，光照在p-n处会产生数量级放大的光电流，在10V偏压下能达到50 mA 的探测效率，如图2.7（a）：
（a）（b）
图 2.7中间悬空的石墨烯光电探测器（a）结构原理示意图；（b）不同位置和偏压下
的光探测率（引自[63]）
图2.8光电探测器（a）石墨烯量子点阵列光电探测器装置示意图；（b）在294 K和12 K
温度下样品的电流-电压特性曲线（引自[64]）
能带工程。张等人利用掩膜刻蚀的方法将石墨烯制成量子点阵列的光电探测器，如图1.8所示。
通过能带工程引入了带隙及电子俘获中心，具有从可见到中红外区的宽的光响应频带，还有显著的温度效益，其光响应度达到了8.61 A 。如图2.8（b）在294 K的电流-电压特性是线性的,而成为非线性和保持高度对称性表明载
流子输运障碍是在GQD阵列结构中形成的，这是由于电荷的库仑阻塞效应。
第二节石墨烯-量子点光电探测器
2.2.1 石墨烯-量子点光电探测器的研究背景
一方面，虽然纯石墨烯光电探测是研究热点，众多科研工作者对其光电性能进行了改进研究，但原理都是基于石墨烯与金属电极界面肖特基接触产生的势垒，其区域很小, 远远小于整个器件的尺寸。因此，其它绝大部分石墨烯覆盖的区域对于其光电性能没有贡献。另外，尽管例如微腔等技术对石墨烯的光吸收有所增强，但是其本身的光吸收还是太微弱了。
另一方面，近年来，胶体量子点光探测器鉴于其溶液加工性及可应用于集成电路的优点成为一种受到广泛关注的上表面光电器件，这些低成本、高灵敏度可通过调节量子点带隙使其探测范围包含可见及近红外区域，其单光子的光电导增益可达到-。
然而，量子点自身存在的一些缺陷也限制和阻碍了其在产业中的应用。例如，量子点本身较差的载流子迁移率（约），很快的成核速率，容易团聚成不规则的大尺寸颗粒，形貌不可控，需要贵金属作助催化剂等。目前制备的量子点在放置一定时间后，会出现聚集等情况，导致荧光严重下降，所以目前制备的量子点一般由无机半导体核和稳定剂外壳组成。稳定剂外壳保持量子点的稳定，但同时会阻碍量子点之间的耦合，增加体系无序性，导致量子点电导率和光电导率极低。将量子点植入恰当的半导体基质中，可有效降低电子-空穴的重组，提高光电流的产生。
为了充分利用石墨烯独特的光电性能，石墨烯-量子点复合材料光探测器就应运而生。
2.2.2 石墨烯-量子点光电探测器的研究进展
石墨烯-量子点光电探测的作用机制
一方面，石墨烯片作为优异的电子传递介质，可提高光激发量子点时产生的光生载流子的迁移速率，降低载流子的复合几率，提高其光电性能。另一方面，将半导体量子点作为光吸收、转换材料，负载到石墨烯片上，可以防止量子点的团聚等问题。
像在很低光强度下，或接近单个光子水平的光子探测，需要一个可以对每个入射光子进行电流放大的俘获放大机制。这可以通过运用合适的光敏中心高效吸收光子来实现，然后再通过电子空穴的转移到导体内（光门效应）。
（a）（b）
（c）
图2.9 （a）和（c）分别为石墨烯-量子点光电探测器的正面和侧面；（b）量子点分离电子-
空穴对的示意图（引自[64]）
量子点（QDs）拥有很强的光吸收率和能隙可调谐性（可通过调整尺寸来控制），可覆盖从紫外到短红外的吸收范围。它们可以在不断变化中被处理，用旋涂，界面印刷，或者喷墨技术进行沉淀。进一步，量子点的配位体可被裁减，以找到QDs自身或QDs和石墨烯之间载流子输运的最佳处。
目前量子点负载石墨烯的制备已拓展到其他有机无机纳米结构。例如，覆盖着生物分子的石墨烯也可以在可见光下显现出光选择效应，像是有些与金属纳米天线化合的例子。而后者又可通过调整天线状的等离子体共振获得一个很宽的波长敏感区域，很有可能覆盖IR波长级别。
CdSe-石墨烯光电探测器
CdSe量子点是研究量子点尺寸效应的典型体系，为其他半导体量子点的尺寸、形状可调的纳米结构及光电性质研究提供了范例。CdSe量子点尺寸可调的光学性质与石墨烯极高的载流子迁移率结合可得到一种理想的能量转换体系。
最近Lin等通过两步法制备了CdSe量子点修饰的石墨烯。虽然这种方法得到的CdSe，石墨烯纳米复合材料的光响应性得到提高，但缺乏有力证据证明氧化墨烯被完全还原，因为X射线光电子能谱(XPS)显示石墨烯中还存在明显的环氧
／乙醚键。
Shall等采用一锅微波法制备了石墨烯支撑相可控的CdSe量子点的纳米复合材料。研究表明CdSe溶液光致发光被石墨烯有效淬灭，说明CdSe量子点中的光生电子和空穴对被分离，而且这些载流子可能传输到石墨烯片上。
Liu等用石墨烯与吡啶封端的CdSe量子点间的7r·7r堆积作用，制备了石墨烯与CdSe量子点的复合材料。并用复合材料制备了柔性透明光电膜，提高了量子点的负载量和光敏性。同时发现增加量子点的负载量还可改变量子点复合膜的光电导率，由此证明电荷是从量子点传输到石墨烯上的。但由于石墨烯与量子点通过桥联分子而非直接连接，因此光生载流子的传输效率仍受限制。
Zhu等由水热法直接合成出了包覆有CdSe纳米粒子的石墨烯片，该复合材料具有很高的光催化活性。
rGO-ZnO光电探测器
南洋理工的郑等人报道了一种灵敏的可见光响应的rGO-ZnO光电探测器，其结构及光探测原理如图2.10所示：
图2.10rGO-ZnO光电探测器。（a）模型的示意图；（b）光照下的电子转移过程；（c）光照开/关环境下的光电流随时间的变化曲线；（d）光响应过程（引自[66]）这种rGO-ZnO复合结构首先利用热液方法合成GO-ZnO，然后在700 ℃氩气环境下加热3小时进行还原，热还原过程使GO变成rGO，同时会使ZnO掺杂上C
原子，碳原子掺杂的ZnO会使其吸收频带有效地延伸至可见光波段，如图2.10（c）（d）所示。在可见光照射下，GO-ZnO复合光探测器不用加偏压就有着显著的响应特性。
PbS-石墨烯光电探测器
北京大学的郭等人使用高质量化学气相沉积方法制备了单层石墨烯，然后利用电子束热蒸发法在其上沉积了PbS量子点，制备出的PbS-石墨烯体系对光照十分敏感。探测器的装置示意图及实物图如图2.11（a）所示，PbS量子点在石墨烯上分布见图2.11（b）。
图2.11 PbS- Graphene 复合体系光电探测器（a）结构示意图及实物图；（b）石墨烯上的PbS量子点扫描电镜图；（c）相应的器件特性，黑/红色：无/有光照情况下的纯石墨烯，绿/蓝色：无/有光照情况下的PbS-石墨烯；（d）在漏极电压1 mV,栅极电压为零的情况下，瞬态光照下的漏极电流随着时间的变化曲线（引自[66]）
PbS量子点中的光生空穴会高效的进入传导通道，产生明显的光生电流，如图2.11（c）（d），在-40 V栅极电压，1 mV漏极电压，200 μW 光照的情况下，光响应度达到～ 2.8 × A 。
西班牙的G．Konstantatos等人利用层-层溶液旋涂法在机械剥离法制备的石墨烯上制备了80 nm厚度的PbS量子点，其QE达到了25 %，在600 nm波长极低功率（pW）的光激发，1V偏压的情况下，光响应率高达108 A ，相应单
个吸收光子的光电导增益接近0.5×，相比目前绝大多数石墨烯基光电探测器有着数量级的优势[65]。在高的QE（25%）情况下，其有约30-60Hz视频成像速率和W低投射NEP，这种混合系统对于可视光和SWIR方面的应用来说是一种理想的平台[67]。
Ti-PbSe/石墨烯光电探测器
图2.12 Ti-PbSe/G三重复合体系光探测器（a）柔性基底上大面积印刷的G/PbSe/Ti
光探测器，及多相组装G/PbSe/Ti光探测器的原理示意图，红色和蓝色的箭头分别代表偏压驱动下穿过石墨烯网格的光生电子及空穴；（b）PbSe/Ti纳米晶粒的高分辨率透射电镜图片(200 kV)；（c）PbSe, FLG/PbSe及三重G/PbSe/Ti光电探测器在黑暗中与白光下(100 mW )的电流-电压曲线；（d）在? 1 V偏压下不同波长对应的探测灵敏度曲线（引自[68]）新加坡国立大学的Loh等人制备了杂化石墨烯-PbSe-Ti光电探测器，见图2.12。
从图2.12（b）可知，Ti与PbS都是以量子点的形式存在于石墨烯基底上，从图2.12（c）中有/无光照情况下光电流密度随偏压的变化曲线图可知，
G-PbSe-Ti复合材料的光电流密度要比单独的高很多，在1 V偏压100 mW 白光下达到50 mA 光响应度达到0.5 A ，光传导增益有140%。
总的来说，虽然量子点-石墨烯的研究取得了一些结果，但仍不能满足实用化需要。不足之处在于石墨烯表面反应的不可控性，进而导致复合物中量子点的尺寸大小不可控性，及受尺寸依赖的性质受到限制。
第三节其他几种石墨烯光电探测器
2.3.1 石墨烯-半导体异质结光电探测器
石墨烯与第四主族元素的平面结，像混合半导体一样，可以扮演肖特基二极管的角色。这些器件拥有自身整流能力，且拥有一个有赖于半导体材料的势垒。由于暗电流很小，半导体-石墨烯光电探测器可运行在反偏电压下，相应谱带轮廓见图2.13（a）。光吸收发生在半导体上，同时透明的SLG作为了电荷载流子的收集者。
（a）（b）
图2.13 （a）石墨烯-半导体异质结的能带轮廓，VB、CB分别为Si的价带和导带；（b）有无光照时石墨烯-半导体异质结的伏安特性曲线（引自[69]）
在图2.13（b）中，半导体-石墨烯光电探测器从常见的光电二极管响应中（红色虚线）脱离出来：由于小的偏压（）导致光电流受到抑制，因为
控制了石墨烯中的，因而控制着照明下的半导体注入的光激空穴的有效状态数。这可应用到亮度调节上，使其运行在六个数量级的动态范围内。
像在Si-石墨烯连接处，IQE=10%（一般肖特基二极管中IQE约为1%）。集成波导管器件也使响应率0.13A 的MIR探测成为可能，并为未来高性价比的MIR做好了准备。
2.3.2 基于石墨烯的辐射热测定器
光诱导产生的过剩载流子使电导率提高，然而迁移率对温度的依赖关系导致了电导系数的下降。通过改变，可以控制转换两种效应的主导程度。狄拉克点附近的载流子浓度很低，PV效应占主导，在远处，PTE效应站主角[70]。
（a）（b）
（c）
图2.14（a）双通道双层石墨烯辐射热器的结构示意图；（b）石墨烯-铝辐射热探测器的结构示意图；（c）热电阻与温度的关系曲线（（a）、（c）引自[71]，（b）引自[72]）
由于石墨烯低电阻对温度的依赖系数高，进而很大的影响读取的dT。因此，室温下的石墨烯辐射热测定器可以检测到一个很小的0.2 mA 响应率。为解决这个问题，一个用来在狄拉克点破开带隙的，有透明顶门的双栅BLG器件出现，并得到了依赖于的电阻，如图2.14（a）。在图2.14（c）中，热电阻有的比例关系，这大约与光子冷却的理论期望值相一致。探测器显示了很高的性能：在T=5K时，NEP约为33fW ，固有带宽大于1GHz。另外，还可以通过加扰动使得电子系统进入一个很强的局域模式，以使石墨烯电阻与温度相关，这已被低温下的石墨烯探测薄膜实现了。
图2.14（b）展示了石墨烯-超导体隧道结辐射热测定器。虽然[72]中的器件是用高频波测量的，但是其概念机制仍可被应用到光探测上面[73]。
2.3.3 兆赫光电探测器
由于相应光子的低能量，兆赫级的辐射（0.1-10THz，30-300μm）可以渗透进通用的对于可见光和MIR不透明的电介质当中。这使其拥有可自身限定横向分辨率的亚毫米级衍射的探测能力。石墨烯可覆盖全部兆赫级（0.1-10THz）的高光谱宽度。在[74]中，一个基于后门的BLG-FET的THz探测方案出现，其拥有一个高介电常数的插入层，电子-空穴对会在FET的耗尽层生成。
（a）（b）
图2.15 （a）SLG-FET结构示意图，其门与源极由具有对数周期的循环锯齿状触角组成；（b）SLG与BLG分别在室温下的随门电压变化的响应率（引自[75]）
FIR室温探测已经在SLG和BLG中实现，其运用了为实现FET通道中过阻尼等离子体波的激发所运用的顶门耦合对接天线的结构图2.15（a）。在源极和栅极具有对数周期的圆形锯齿状天线被运用到连接阴极电子的兆赫级别辐射中。标准的光伏电压与）（）依赖关系，为门电压，与已有理论模型所预言性质一致，从而证明了探测器运行在所谓宽带过阻尼的模式中。其最大=1.3mA ，最小NEP约1nW ，见图2.15（b）。对于后门天线耦合性的石墨烯FETs，更高频率实验显示了一个微伏级别的光伏信号。
基于石墨烯的兆赫级带宽探测器在室温条件下被验证其在2.5THz处具有约为5nA 和很快的上升时间（约为50ps）这使得他们已经适合调速上的应用。在[76]中的器件应用了具有对数周期的兆赫级有中央梳状的天线，其提供了与SLG的接触面。PTE石墨烯兆赫级探测器，运行于2.5THz，基于具有不对称金属界面形状的插层型SLG，已有报道过。
环境与材料科学技术的前沿进展刘艳艳武汉理工大学资源与环境工程
环境与材料科学技术的前沿进展 刘艳艳武汉理工大学资源与环境工程学院 资源与环境已成为当今世界发展的主题。经济与资源、环境之间的和谐发展日益广泛受到关注。如何合理利用资源、保护环境，同时促进经济的增长，这对相应学科的科学与技术提出了高要求，也已成为全球化的重要议题。2015环境与材料科学技术学术研讨会在武汉理工大学资源与环境工程学院院长宋少先教授的主持下拉开帷幕。出席开幕式的人员包括圣路易斯波多西自治大学校长ManuelVilla、武汉理工大学副校长康灿华、圣路易斯波多西自治大学物理研究所所长JoséLuisArauzLara、武汉理工大学新材料研究所所长余家国教授等，还包括武汉理工大学资环学院、理学院、化生学院、材料复合新技术国家实验室等单位百余名师生参加。研讨会主题是“环境与材料科学技术”，会议旨在为中墨两国合作搭建潜在的平台，为环境、材料、能源等多方领域交流最新研究成果提供一个交流的机会。研讨会主题围绕环境、材料、能源、地理空间科学与技术等领域进行了交流，包括1场大会报告与4组分会场报告，双方与会代表共进行37场次报告，展示了双方各自最新研究成果，探讨了环境、材料与能源等领域的发展趋势，为日后合作发展提供了机会。本研讨会获得了中国教育部、武汉理工大学以及圣路易斯波多西自治大学的大力支持。武汉理工大学康灿华副校长在研讨会开幕式上发言，希望利用本次机会充分展示该校在环境与材料科学技术领域的研究成果和特色，推动该校在该领域学科建设的发展并提升国际影响。ManuelVilla校长介绍了圣路易斯波多西自治大学的学校历史、学科结构及对外合作项目，希望两校在科研合作与学生交流等方面开展深入合作，为双方优秀学者和学生搭建良好的学术交流平台。武汉理工大学余家国教授在大会报告中介绍了用于生产太阳能燃料的石墨烯光催化材料的研究进展与发展趋势。利用太阳能转化制备太阳能燃料目前被认为是解决未来全球能源与环境问题的主要策略之一。其中利用光催化水产氢和还原二氧化碳制甲烷已经成为利用太阳光制备太阳能燃料的重要且有前景的方法，可以实现清洁、经济以及再生等生产。通常基于TiO2光催化产氢强烈依赖于触媒类型与数量，这是因为仅有TiO2不具备很高的光催化性能，需要添加Pt作为触媒，这样才能增强TiO2的光催化产氢性能，然而Pt更是稀有且昂贵的材料。因此，便宜且来源丰富的材料便成了触媒的另外选择。比如基于石墨烯的纳米复合材料作为光催化剂具备增强光催化产氢和二氧化碳还原的能力，能将太阳能转化成化学能。余家国教授对在基于石墨烯的纳米复合材料在光催化产氢和二氧化碳还原方面的设计与制造研究成果进行了介绍与分享。 圣路易斯波多西自治大学的MagdalenoMedi-na-Noyola教授作了题为“StructuralRelaxiationandAgingofGlassesandPhysicalGels:aNon-equilibriumStatisticalThermodyn amicTheory的大会报告。有一项关于非均衡液体不可逆过程的非均衡统计热力学理论被用来表述淬火液体结构与动力学的非稳态演变，该理论提出一个方案：演变时间是一个基础的变量。该方案为类玻璃材料在高填充率下的老化行为以及低密度的类凝胶材料的形成过程，方案设计符合通用情况，也符合各系统下的分子内作用过程。比如硬体系和Lennard-Jones简单液体等具体模型体系都能很好地解释这个预计方案。其定性定量准确度可以通过对比模拟和实验结果进行评估。武汉理工大学资源与环境工程学院张一敏教授作了题为“VanadiumExtractionfromVanadium-bearingCarbonaceousShaleinChina”的大会报告。钒作为
氧化石墨烯薄膜的光电化学性质
2011年第69卷化学学报V ol. 69, 2011第21期, 2539～2542 ACTA CHIMICA SINICA No. 21, 2539～2542 * E-mail: kzwang@https://www.360docs.net/doc/4917478459.html, Received April 2, 2011; revised May 25, 2011; accepted June 3, 2011. 国家自然科学基金(Nos. 90922004, 20971016)、中央高校基本科研业务费专项资金、北京市大学生科学研究与创业行动计划和北京师范大学分析测试
2540化学学报V ol. 69, 2011 器有限责任公司); 冷场发射扫描电镜(S-4800 日立高新技术株式会社); FZ-A型辐照计(北京师范大学光电仪器厂); KQ-50B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司); 采用三电极系统, 覆盖有自组装膜的氧化铟-氧化硒(ITO)玻璃为工作电极, 铂片为对电极, 饱和甘汞电极为参比电极, 0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液为支持电解质; 配有红外和紫外截止滤光片的500 W高压氙灯光源系统(北京畅拓科技有限公司). 试剂均为分析纯. 1.2 GO及其静电自组装薄膜的制备 在傅玲等[9]将Hummers法制备氧化石墨分为低温、中温、高温反应三个阶段的基础上, 延长中温反应时间至8 h; 充分超声剥离后, 通过脱脂棉抽滤和渗析的方法除去少量沉淀和杂质离子, 得到均一稳定的GO水溶胶, 放置7个月后无沉淀. GO的静电自组装薄膜的制备: 将按文献[10]报道的方法清洗和表面硅烷化的石英和ITO导电玻璃放入pH 3的HCl溶液中质子化处理, 使基片表面带有正电荷. 然后此基片浸入GO溶液中(1 mg?mL－1) 10 min, 取出并用去离子水清洗, 空气吹干. 1.3 光电化学性质 所有光电化学研究均以GO膜修饰的电极为工作电极, 其有效光照面积为0.28 cm2. 光电流的测量在电化学工作站上进行, 入射光的强度用辐照计测定. 不同波长的入射光是在氙灯光路上加具有所需带宽的滤光片得到. 2 结果与讨论 2.1 紫外-可见吸收光谱 图1为GO水溶液(a)和石英基片上单层薄膜(b)的紫外-可见光谱图的对比. GO在231 nm处有1个C—C键上的π-π*跃迁吸收峰, 在298 nm处有1个C＝O键上的n-π* 跃迁肩峰[11], 这与在石英片上单层薄膜在30 nm 处的吸收峰吻合, 表明GO已成功组装到基片上. 处理后的基片浸泡在1 mg?mL－1 GO溶液, 利用紫外-可见光谱对浸泡时间进行了监测(图2). 结果表明: 当在GO水溶液的浸泡时间达10 min时, 吸光度基本达最大值. 2.2 冷场发射扫描电镜 我们制备的GO水溶液具有明显的丁达尔效应, 与文献[12]报道的结果吻合. GO水溶液在铝箔上流沿. 待液体干燥后, 剪取部分于样品台上经磁控溅射镀膜(喷金)处理后, 用冷场发射扫描电镜研究其形貌(图 3). 氧化石墨因超声剥离, 脱落成许多大小为几十纳米的片状GO. 这与氧化石墨烯是一种二维结构材料及其水溶液具有明显的丁达尔效应吻合 . 图1 (a) GO水溶液和(b)石英片上GO薄膜的紫外-可见光谱Figure 1 UV-Vis spectra of (a) GO aqueous solution and (b) GO film on quartz substrate 图2基片在230 nm处的吸光度随其在GO溶胶中浸泡不同时间的变化图 Figure 2Changes in absorbance at 230 nm of protonated quartz substrate at varied immersion time in GO aqueous solution 图3GO冷场发射扫描电镜图 Figure 3 Cold-field emission scanning electron microscope image of GO 2.3 GO修饰的ITO电极的光电响应 在0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液中, 当用100 mW/cm2的白光照射GO膜修饰的ITO电极时, 所得光电流随偏
石墨烯及石墨烯光催化复合材料简介
石墨烯及石墨烯光催化复合材料简介 1.1 前言 碳材料是地球上最普遍也是一类具有无限发展前景的材料，从无定形的碳黑到晶体结构的天然层状石墨；从零维纳米结构的富勒烯到二维结构的石墨烯，近几十年来，碳纳米材料一直备受关注。而三维网状结构的石墨烯自组装水凝胶的发现[1]，不仅极大地充实了碳材料家族，为新材料和凝聚态领域提供了新的增长点，而且由于其所具有的特殊纳米结构和性能，使得石墨烯无论是在理论上还是实验研究方面都已展现出了重大的科学意义和应用价值．从而为碳基材料的研究提供了新的目标和方向。 从石墨发现至今，关于石墨烯的研究已经铺满各种期刊杂志，此外，人们对石墨烯衍生物也进行了深入研究，如氧化石墨烯、石墨烯纳米带、石墨烷、磁性石墨烯衍生物等。其中对氧化石墨烯和石墨烯纳米带的研究更为深入。氧化石墨烯是单一的碳原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。由于它在水中具有优越的分散性，长久以来被视为亲水性物质，然而，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。根据不同的碳取材来源和不同的结构，石墨烯纳米带有不同的特性，有些有金属的性质，有的具有半导体性能，从而也使得石墨烯纳米带成为未来半导体候选材料。此外，在挖掘石墨烯潜在的性能和应用方面，石墨烯的复合材料也受到了极大的关注，并且这类复合材料已在生物医学、能量储存、液晶器件、传感材料、电子器件、催化剂等领域显示出了优异的性能和潜在的应用。 总之，不断发现新的性质、衍生物、复合材料以及功能器件，极大地丰富了石墨烯的研究方向、开拓了人们的视野、拓展了石墨烯的应用领域，使得基于石墨烯的材料成为了一个充满魅力与无限可能的研究对象。
石墨烯在光电子器件中的应用
石墨烯在光电子器件中的应用 摘要：石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱，以及极强的非线性光学特性。且因其卓越的光学与电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，石墨烯受到了各领域学科的高度关注。本文重点综述了石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器、表面等离子体等光电子器件领域的应用研究进展，并对其未来发展趋势进行了进一步的分析。 关键字：石墨烯;光调制器;光探测器;超快脉冲激光器;表面等离子体; 1、前言 石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有独特的零带隙能带结构，是一种半金属薄膜材料。石墨烯不仅有特殊的二维平面结构，还有着优良的力学、热学、电学、光学性质。其机械强度很大，断裂强度比优质的钢材还要高，同时又具备良好的弹性、高效的导热性以及超强的导电性。石墨烯又是一种禁带宽度几乎为零的特殊材料，其电子迁移速率达到了1/300光速。由于石墨烯几乎是透明的，因此光的透过率可高97.7%。此外，石墨烯的加工制备可与现有的半导体CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor transistor)工艺兼容，器件的构筑、加工、集成简单易行，在新型光电器件的应用方面具有得天独厚的优势。 目前，人们已利用石墨烯开发出一系列新型光电器件，并显示出优异的性能和良好的应用前景。 2、石墨烯的基本性质 石墨烯具有独特的二维结构，并且能分解为零维富勒烯，也可以卷曲成一维碳纳米管，或堆积成为三维石墨。石墨烯力学性质高度稳定，碳原子连接比较柔韧，当施加外力时，碳原子面就会发生弯曲形变。 在理想的自由状态下，单层石墨烯并非完美的平面结构，表面不完全平整，在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱，而在薄膜内部褶皱并不显，多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯稍小。这也说明了石墨烯在受到拉伸、弯曲等外力作用时仍能保持高效的力学稳定性。 在一定能量范围内,石墨烯中的电子能量与动量呈线性关系，所以电子可视为无质量的相对论粒子即狄拉克费米子。通过化学掺杂或电学调控的手段，可以有效地调节石墨烯的化学势，使得石墨烯的光学透过性由“介质态”向“金属态”转变。 石墨烯的功函数与铝的功函数相近，约为4.3eV，因此在有机光电器件中有望取代铝来做透明电极。近年来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，证实了石墨烯是未来纳米光电器件领域极有前景的材料。 3、基于石墨烯的光调制器 3.1 直波导结构石墨烯光调制器 光学调制是改变光的一个或多个特征参数，并通过外界各种能量形式实现编码光学信号的过程。对光学调制器件的评价有调制带宽、调制深度、插入损耗、比特能耗以及器件尺寸等性能指标。大多数情况下，光在
石墨烯光电探测器
石墨烯光电探测器 第一节纯石墨烯光电探测器 2.1.1 石墨烯光电探测的相关原理 有关石墨烯光电探测和光电子应用的关键原理已经被报道。这里包括光伏效应，光的热效应，热辐射效应，光选择效应和等离子体波辅助机制。 （a）（b） （c）（d） 图2.1 石墨烯光电探测原理（a）光伏效应；（b）光热电效应；（c）测辐射热效应；（d） 辅助的等离子体波机制(引自[27]) 光伏效应 光伏电流来源于由不同掺杂区域连接处内部电场或外置电场所产生的光生电子分离。石墨烯是半导体，自身会产生了大量的暗电流，不适于外置电路。内置区域可以用本身的化学掺杂，通过选通脉冲产生静电效应或者通过利用好在石墨烯和金属接触点的功函数差别来引入。石墨烯通道可为P型或N型。光电流的
方向仅依赖于电场，而非整体的掺杂程度。因而其可从p-n到n-p，或者从p-p+到p+-p之间转换信号。 光热电效应 辅助热载流子输运在石墨烯中扮演重要地位。由于这种强烈的电子-电子相互作用，光激电子对可以给载流子快速（~10-50fs）加热。因为光频声子能量（~200meV）在石墨烯中很大，辐射产生的热载流子可以保持在一个温度 上。最终热电子会与晶格之间得到平衡。 光生热电子通过光热电效应（即PTE或塞贝克效应）产生光电压=（-），其中（在V ）是不同掺杂石墨烯区域的热电动力（温差电势率），是不同区域电子温度差。 辐射热效应 辐射热效应与由入射光子产热导致的输运电导率变化相关。一个辐射热计可以通过吸收入射辐射dP，并读出导致的温度变化量dT来测量电磁辐射的强度。辐射热计的关键常数有电阻=dT/dP，还有热容量，其决定了响应时间=[28]。石墨烯有很小的体积和很低的态密度，因而得到很低的和一个很高的响应度。这里不直接产生的光电流，而要求有外置的偏压，不需要引进p-n结。 由入射光引起的电导率变化可归于以下两种机制：⑴由于相关温度改变引起载流子迁移率的改变；⑵对电流有贡献的载流子数目的改变（如PV效应)。 光门效应 光门效应是基于GRM载流子浓度n引起的光诱导的改变，因而其电导率=。第一，电子-空穴对的生成发生在GRM 中，随后其中之一被复合（例如在陷阱电荷中或者附近纳米粒子的分子中）。第二，电子-空穴对生成发生在GRM附近的纳米粒子中，分子，或者陷阱电荷中。接着，一种载流子转移到GRM，同时其他的载流子待在微粒，分子或者陷阱中。 通过运用高迁移率的导体和长的响应时间，提高光电导的增益。同时，长的减慢了运行速度。因而这类探测器可以被用在低的暂时频带宽度上，例如视频图像电流。所以合适的评估不仅来自响应度，还有其噪声等效功率（NEP）和特殊的探测能力。 辅助的等离子体波机制 Dyakonov和Shur提出了一个光电探测的方案，即通过凭借场效应晶体管
石墨烯性质-表面等离子体
1 石墨烯电子能带结构所带来的性质 石墨烯是零带系半导体，其能带结构在K空间成对顶的双锥形，费米面在迪拉克点之上，石墨烯为n型，费米面在狄拉克点以下为p型。由于其能带结构的特殊性，在狄拉克点处的电子态密度很低，对于费米面在狄拉克点附近的高质量石墨烯，通过简单的掺杂或用栅压调控，就可以使其费米面有很大幅度的移动，从而很容易用人工的方法制作出石墨烯的p-n结结构。而该结构是太阳能电池材料所必需的条件。 2、石墨烯对红外光的高透过性 石墨烯对光的透过率可达到97.7%以上，使其成为太阳能电池电极材料的很好选择。现在太阳能电池的透过效率不好原因是太阳能电池上层电极对太阳光中的红外部分吸收十分严重，而红外部分又是太阳光能量的一个集中区，所以影响了下方的光伏材料获得的光的强度。而石墨烯对红外的透过性非常好，用石墨烯带作为太阳能电极材料，可大幅度提高转化效率。 3、石墨烯中的高载流子迁移率 石墨烯中的电子的迁移率大约是硅的100倍，而电导率是与迁移率和载流子浓度乘积成正比，而材料的透光性能又通常和载流子浓度成反比。一般材料如果对光的透过性很好，那么它的载流子浓度就很低，而通常迁移率也很低，从而导电率也很差，这也是目前为什么太阳能透明电极没有很好性能的原因。而石墨烯这种新材料，它的载流子迁移率如此之高，即使在载流子浓度很低时（透光性很好），也能保证两者乘积很客观，有很好的导电性。这也进一步解释了石墨烯适合用于太阳能电池电极的原因。 4、石墨烯中的光激发电子-空穴对的产生消失时间 石墨中的电子式狄拉克电子，速度接近光速三分之一，室温下传导电子比任何其他已知导体要快，所以被光激发出的电子-空穴对可以快速形成电流，同理在撤去光源后也可以迅速消失。基于石墨烯的光伏器件对光的响应目前在实验室中已达到THz，成为超快光电探测器的候选材料 5、石墨烯的热载流子效应 石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室温和普通光照射下，就可以发生热载流子效应，产生电流。当光照在石墨烯上时，可以产生两个具有不同电气特
新型石墨烯光电探测器_
热固性树脂第30卷 [2]王润国，周鑫鑫，雷巍巍，等.衣康酸的制备及其在高分子材料 中的应用[J].中国材料进展，2012，31（12）：48-52. [3]王庆昭，吴巍，赵学明.生物转化法制取琥珀酸及其衍生物的前 景分析[J].化工进展，2004，23（7）：794-797. [4]郑玲艳，杨建刚，郭学武，等.低产异戊醇清酒酵母菌株的选育 [J].酿酒科技，2008（10）：17-19. [5]Ishida S.，Saito S.Polymerization of itaconic acid derivatives[J]. Journal of Polymer Science Part A-1：Polymer Chemistry，2014，5 （4）：689-705. [6]Ali M A，Tateyama S，Oka Y，et al.Syntheses of high-performance biopolyamides derived from itaconic acid and their environmental corrosion[J].Macromolecules，2013，46（10）：3719-3725. [7]欧阳贻德，唐正娇，陈古圣，等.异戊醇从氯化物-磷酸体系中萃 取盐酸的动力学[J].化学工程，2008，36（9）：1-4. [8]魏代成，杨明德，党杰.异戊醇萃取分离钼酸钠溶液中微量硅的 研究[J].冶金分析，2006，26（2）：31-34. !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 新型石墨烯光电探测器 据物理学家组织网4月14日报道，西班牙和美国科学家合作研制出一种基于石墨烯的光电探测器转化仪，其能在不到50飞秒（飞秒为千万亿分之一秒）的时间内将光转化为电信号，几乎接近光电转化速度的极限，将大力助推多个领域的发展。 高效的光电转化技术，因为能让光所携带的信息转化成可在电子电路中进行处理的电信号，在从照相机到太阳能电池等多个关键技术领域发挥着重要作用，也是数据通讯应用的重要支撑。尽管石墨烯是一种拥有极高光电转化效率的材料，但此前科学家们并不知道其对超短光脉冲的反应究竟有多快。 现在，由西班牙光子科学研究所（ICFO）的研究员弗朗克·科朋斯教授、加泰罗尼亚高等研究院的尼尔克·范·赫斯特、美国麻省理工学院的帕博罗·加里洛-赫耶罗，以及加州大学河滨分校物理系教授刘津宁（音译）领导的研究团队研制出了这种基于石墨烯的光电探测器转化仪，其能在不到50飞秒的时间内将光转化为电，将光电转化速度推到了极限。最新研究已发表在4月13日在线出版的《自然·纳米技术》杂志上（Nat. Nanotechnol.,2015,DOI:10.1038/nnano.2015.54）。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 英帝国理工学院研发下一代滤膜提升工业生产效能 过滤膜在水处理、石化和制药等行业都有大规模应用，是一项重要工业用材料。英国帝国理工学院16日发布公告说，该校将与英国多所院校合作开发新一代膜材料，以提升工业生产效能。 全球大量能源都消耗在各类过滤作业中，比如污水处理、石化精加工等，但目前使用的滤膜存在许多缺点，包括寿命短、使用能耗高、制造成本高昂。 据介绍，帝国理工学院与巴斯大学、曼彻斯特大学以及纽卡斯尔大学联手创立了一个专门的科研合作体，共同研发能提升工业用膜效能的新材料。其中一个由帝国理工学院主导的项目，将研究如何利用高分子聚合物和陶瓷来制造新一代膜。 研究人员说，目前的工业用膜使用一段时间后渗透性会变得非常差，导致过滤效率降低，增加能耗。如果使用高分子聚合物和陶瓷来制作膜，有望解决这一问题，让它能在更长时间内保持较高的过滤效率。 参与这一项目的帝国理工学院教授安德鲁·利文斯顿说，现代社会尽管大量使用膜来进行从水到油品的过滤作业，但这类膜的制造材料在过去很长一段时间里都没有太多改变，这影响了膜的使用效率，研发中的新一代膜有望改变这一现状，进而让多个工业行业的生产获益。 24
校团-皖西学院
皖西学院2016-2017学年度研究性学习项目 结项情况一览表 一等奖： wxxyx2016015 硫化镉量子点/氧化钛薄片复合材料的制备及性能研究材化学院：陈晓华赵鹏指导教师：傅绪成wxxyx2016022 大别山茶树中茶皂素提取率的探究 材化学院：罗词俊胡李劲草陈媛媛指导教师：李林刚wxxyx2016024 具有活性位点的配位聚合物的合成及其性能研究 材化学院：陈维新刘周敏汪正权赖富根指导教师：金俊成wxxyx2016032 羟基化聚苯乙烯微球制备及其应用研究 材化学院：王恒钦义鹏吴芳指导老师：谢成根wxxyx2016043 五自由度机械手及智能控制研究 电光学院：苏娜黄凯强刘晨指导教师：李泽彬wxxyx2016045 教学楼避灾及安全疏散的研究---以皖西学院为例 建工学院：程瑞许雪峰陈飞张秋瑞徐宏燕指导教师：涂劲松wxxyx2016078 霍山石斛HPLC指纹图谱研究 生工学院：张方方张陈王惊鸿曹志杨伏宇指导教师：陈乃东wxxyx2016079 霍山石斛血清指纹图谱分析研究 生工学院：王雪荣牛清杨晓龙廖维娟薛珂指导教师：陈乃东wxxyx2016085 组培霍山石斛、铁皮石斛激素残留检测方法的构建及其含量测定研究 生工学院：李卢凡邵丹丹王美玲王朋王岭指导教师：陈乃东wxxyx2016086 江浙辐射神经毒素制备电泳与抗血清的制备 生工学院：李月董韦指导教师：韦传宝wxxyx2016111 基于手机可控的智能厨房系统 电信学院：张乐李爽钟圣旭王淼徐启源指导教师：何富贵wxxyx2016148 “美食美客”APP 机车学院：蔡云庆何宇瑶刘香环韩月茹指导教师：刘建树wxxyx2016175 流水地貌演示模型的制作与地貌过程模拟 环旅学院：欧阳凌风张晓瑶种发利吴艳指导教师：张广胜wxxyx2016176 大别山北麓丹霞地貌洞穴景观的特征及其成因研究 环旅学院：孙鹏飞孙玥张艳楠张丽指导教师：张广胜二等奖：
石墨烯复合材料的应用研究进展_巩金瑞2017
石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的二维蜂窝状材料，理论厚度仅为0.34nm，是目前发现的最薄的二维材料[1]。石墨烯具有很多优异的性能，例如：强度高达130GPa，是钢的100多倍[2]；热导率为5000W·m-1·K-1，是金刚石的3倍[3]；理论比表面积和透光率分别高达2600m2·g-1[4]和97.7%[5]；室温下载流子迁移率为15000cm2·V-1·s-1，在特殊条件下甚至高达250000cm2·V-1·s-1[6]。石墨烯独特的结构和性能使其在诸多领域得到广泛应用，因此，自从2004年石墨烯被发现以来，便在世界范围内掀起了人们对它的研究热潮。 为了更好利用石墨烯上述优异的性能，进一步扩大石墨烯的应用范围，国内外许多科学工作者将石墨烯与其他材料复合，成功制备出不同功能的石墨烯复合材料，使其在能源、环境、医学、传感器等领域得到广泛的应用。鉴于此，本文主要介绍了近年来不同类型石墨烯复合材料在各个领域的应用现状。 1石墨烯／聚合物复合材料的应用 通常采用溶液混合、熔融混合、原位聚合和浇铸成型等方法将石墨烯与聚乙烯醇、聚丙烯、环氧树脂、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等绝缘聚合物复合形成石墨烯／绝缘聚合物复合材料，也可与聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等典型的导电聚合物复合形成石墨烯／导电聚合物复合材料，使其在电容器、导热和生物应用等领域具有广阔的应用前景，这是石墨烯复合材料的一个重要研究领域。 1.1电容材料 刘建华等[7]采用化学接枝法原位合成了石墨烯／聚吡咯复合物，在该复合物中吡咯在石墨烯层片上均匀分布，石墨烯片层间的吡咯大量成链并与石墨烯层片相互连接，二者之间产生了紧密的化学键结合。结果表明，复合物的电导率为3.32S/cm，比电容可达到284F·g-1，比纯聚吡咯的比电容提高52%，具有优异的电容特性。Zhang[8]等利用原位聚合法成功制备出石墨烯／聚苯胺纳米纤维复合材料，将其作为超级电容器的电极材料时，具有很高的电导率和比容量(当电流密度为0.1A·g-1时，电容高达480F·g-1)，且 石墨烯复合材料的应用研究进展 巩金瑞1,2,詹肇麟1,虞锦洪2,沈典宇1 (1.昆明理工大学材料科学与工程学院,云南昆明650093,2.中国科学院宁波工业技术研究院,浙江宁波315201) 摘要：石墨烯具有独特的二维结构和性能，使其在能源、传感器、环境和生物等领域具有广泛的应用。为了进一步扩大石墨烯的应用范围，常将其与高分子聚合物、无机纳米粒子、碳纳米管和某些金属块体材料复合。最后，指出了石墨烯复合材料的研究方向。 关键词：石墨烯；复合材料；应用 DOI:10.14158/https://www.360docs.net/doc/4917478459.html,ki.1001-3814.2017.06.009 中图分类号：TB33文献标识码：A文章编号：1001-3814(2017)06-0031-05 Research Progress of Application of Graphene Composite GONG Jinrui1,2,ZHANZhaolin1,YU Jinhong2,SHEN Dianyu1 (1.Faculty of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming650093,China; 2.Ningbo Institute of Industrial Technology,Chinese Academy of Sciences,Ningbo315201,China) Abstract：Due to unique two-dimensional structure and performance,graphene has wide applications in energy,sensors, environment and biology and other fields.In order to furtherly expand the application of graphene,graphene was compounded with high-molecular polymer,inorganic nanoparticles,carbon nanotubes and some block gold materials.At last,the research direction of the graphere composite was pointed out. Key words：graphene;composite;application 收稿日期:2016-03-04 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51573201) 作者简介:巩金瑞（1988-），女，甘肃天水人，硕士； E-mail：gongjinrui@https://www.360docs.net/doc/4917478459.html, 通讯作者:詹肇麟（1964-），男，教授，E-mail：zl_zhan@https://www.360docs.net/doc/4917478459.html,
石墨烯硒化钼异质结的制备及光电特性的研究
Hans Journal of Nanotechnology纳米技术, 2018, 8(3), 31-36 Published Online August 2018 in Hans. https://www.360docs.net/doc/4917478459.html,/journal/nat https://https://www.360docs.net/doc/4917478459.html,/10.12677/nat.2018.83005 The Preparation and Photoelectric Properties of Graphene/Molybdenum Selenide Heterojunction Tao Peng, Mingyan Guan, Cheng Xu, Qiang Zhang, Ke Xu, Lin Zhu, Xiying Ma School of Mathematics and Physics, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou Jiangsu Received: Jul. 24th, 2018; accepted: Aug. 13th, 2018; published: Aug. 20th, 2018 Abstract In this experiment, the preparation of heterojunctions of two novel nano-film materials, graphene and molybdenum selenide, was attempted. Graphene was prepared by chemical vapor deposition on MoSe2 film prepared by chemical vapor deposition (CVD), and then copper (Cu) contact elec-trode was deposited by magnetron sputtering. The graphene was characterized and its properties were studied. Finally, graphene and MoSe2heterojunctions were formed through the necessary process steps and their photoelectric properties were examined. Under the standard light source, the short-circuit current is about 2.4 nA, and the open circuit voltage is about 4 mV. It can be seen that the graphene/selenium molybdenum heterojunction can be used in solar cells, sensors, light-emitting diodes, lasers and the like. The current ratio is about 2.69 with or without light. Visibly, graphene/selenide molybdenum heterojunction has good photovoltaic properties. Keywords Graphene Film, MoSe2 Film, Heterojunction, Photovoltaic Characteristics 石墨烯/硒化钼异质结的制备及光电特性的研究 彭涛，管明艳，徐铖，张强，许珂，朱琳，马锡英 苏州科技学院，数理学院，江苏苏州 收稿日期：2018年7月24日；录用日期：2018年8月13日；发布日期：2018年8月20日 摘要 本次实验尝试对石墨烯与硒化钼这两种新型的纳米薄膜材料进行异质结的制备。在利用化学气相沉积
石墨烯的光电特性及应用
石墨烯的光电特性及应用 发表时间：2018-05-22T16:11:26.693Z 来源：《基层建设》2018年第4期作者：葛正源 [导读] 摘要：石墨烯独特的光电特性吸引了许多领域中的学者进行研究，在纳米材料领域这种材料更是有着很大的关注力度。 北京送变电有限公司北京 102401 摘要：石墨烯独特的光电特性吸引了许多领域中的学者进行研究，在纳米材料领域这种材料更是有着很大的关注力度。有关学者也语言石墨烯在未来可能代替硅化材料，发展成为电子元件发展的重要部件，本文也综述了这种物质的光电特性及其应用。 关键词：石墨烯；光电特性；应用 一、石墨烯概述 石墨烯是科学家最早发现的一种具有稳定二维结构碳的材料，是一种理想的二维碳质晶体。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，它是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面状薄膜。石墨烯是碳的多种形态中的基本结构单元，单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335nm，碳的其他存在形态为碳纳米管、石墨、富勒烯、金刚石（图 1）。石墨烯是已知自然界稳定存在的最薄的材料，并且具有极大的比表面积、超高的导热率、超强的导电性和强度等优点，因此其拥有良好的应用和市场前景。 2004年英国曼彻斯特大学的2位物理科学家——安德烈?海姆教授（Geim）和康斯坦丁?诺沃肖洛夫教授（KonstantinNovoselov），在实验室中成功从天然石墨片中第一次剥离出了具有二维结构的石墨烯，从而证明了二维材料在自然状态下可以单独存在，因这个革命性和颠覆性的发现，2位教授共同在2010年获得诺贝尔物理学奖。在此背景下，石墨烯的众多方向研究如火如荼的展开，并且迅速在全球范围里掀起了石墨烯制备、石墨烯复合技术和材料、石墨烯下游产品等的研究热潮。石墨烯材料超强的物理、化学和机械等主要特性如图2所示。 目前石墨烯的制备方法主要分为“自下而上（down-up）”和“自上而下（up-down）”2大类方法。而“自下而上（down-up）”法是通过碳原子的重构来合成石墨烯材料，是从一种形态到另一种形态的转变，它包括化学气相沉积法（CVD）、外延生长法、有机合成法等。“自上而下（up-down）”法是通过剥离天然石墨材料来制备石墨烯片层，可以分为物理法和化学法，如微波机械剥离法、物理液相剪切分离法、电弧法、氧化还原法、超临界法、碳纳米管轴向切割法等。 基于石墨烯材料具有独特的二维结构和优异的电学、光学、机械、声学、电化学、力学、热学等性能，它是极具发展前景和潜力的电池电极材料。目前把石墨烯做为电池导电剂是石墨烯研究的一个热点方向。 图2石墨烯的主要物理化学特征 二、石墨烯材料主要特性 1、石墨烯的电学性质 石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成，这种构成方式会多出一个p轨道的电子，从而形成大π键，π电子可以自由的移动，这赋予了石墨烯优异的电子学性能。石墨烯原子与原子之间的引力和排斥力都很强，在常温状态，石墨烯内部的电子很少会受到外部影响，电子在移动时不容易产生散射现象，迁移率是硅中电子的130倍，其电导率达到了106S/m，是常温下导电性最佳的材料。另外石墨烯还具有半金属特性，它的导带和价带之间有一部分是重叠的。利用这一特性，人们已经开始试着把石墨烯应用到高性能的场效应管中。现制造大面积的石墨烯薄膜的技术已经比较成熟，这加大了它在电子信息领域应用的可能性。石墨烯晶格具有六方对称性。 2、石墨烯的光学性质 石墨烯有着非常优良的透光性，在近红外，以及可见光波段的透光率，单层石墨烯可高达98%。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。Li等人对石墨烯进行了研究，利用700—8000cm1谱段，发现石墨烯内部结构中存在多子交互作用（Many—BodyInteractions）。石墨烯是一种“光学透明”的导体，具有稳定的晶格结构，电子在石墨烯上以恒定的速率移动，石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。石墨烯里电子的有效质量为零，这和光子的行为极为相似。 三、石墨烯光电应用领域 1、光电探测器 光电的探测是将光能信号转换为电流信号。传统的光电检测都是基于传统半导体材料进行的，这些检测器的性能会因为材料属性的限制而改变。和传统的半导体材料相比较，石墨烯没有能带的间隙，可以吸收的光范围也是较大的。除此之外，过高的载电子迁移率让石墨烯成为科学家眼中制作光电探测器的优异材料。 最近几年，学者Ecthermeyer等人利用金属的等离子体和石墨烯进行结合，这种方法所得出的结构是和石墨烯光电探测的光电流一致的，而且这比较于没有等离子纳米结构的元件来说要高出一个数量级。而且因为等电子体产生一定的共振，纳米结构的稳定性被大大提高，单层原子厚度的石墨烯可以全面的受到这种等离子体的增强。 2、透明导体 所谓透明导体，是指由触摸屏、二极管以及太阳能电池组成的，对于表面电阻和透明度要求较高的器件的核心组件。作为电极的设备
基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展_高原
DOI ：10．3724/SP．J．1096．2013．20747基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展 高原 1李艳2苏星光*2（电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室1，吉林大学化学学院2，长春130012）摘要近年来，随着石墨烯研究热潮的兴起，将石墨烯用于生物及化学检测的工作也日益增多。本文着重介绍了基于石墨烯及氧化石墨烯（GO ）的光学生物传感器，特别是基于石墨烯的荧光共振能量转移（FRET ） 传感器以及比色法传感器的设计思想和传感特性。 关键词石墨烯；氧化石墨烯；生物传感器；荧光共振能量转移；评述 2012-07-17收稿；2012-09-30接受 本文系国家自然科学基金（Nos．2127506， 21075050）资助项目*E-mail ：suxg@jlu．edu．cn 1引言 石墨烯是一种由纯碳原子的六元环平面结构构成的二维材料 ［1］，是零维的富勒烯、一维的碳纳米管（CNTs ）以及三维石墨结构的构筑基元［2］。它具有非常大的理论比表面积、很高的杨氏模量［3］、超高的光学透过率、优良的导热性［4］和导电性，并能够通过电子转移实现荧光猝灭。目前，人们已将基于石 墨烯的材料广泛应用于诸多领域，如吸附剂 ［5］、催化剂［6］、药物载体［7］等。石墨烯具有的奇特性质，使 得其能够满足高灵敏性传感器设计的需求，并已用于构建光学［8］、电化学［9］及场效应传感器［10，11］、细胞标记［12］及实时监测［13］等。本文介绍了基于石墨烯材料的光学生物传感器的研究进展，重点评述了基于石墨烯基的荧光共振能量转移（FRET ）以及比色法传感器。 2基于石墨烯的荧光共振能量转移传感器 荧光共振能量转移（FRET ）是能量由供体荧光团经无辐射途径转移给受体荧光团，并引起供体荧 光猝灭和受体荧光增强的光学现象， 是测量活体及体外纳米尺度距离及变化的有效手段。近年来，人们致力于开发基于石墨烯材料的FRET 传感器， 将其用于生物及化学检测。FRET 传感器主要由3部分构成：供体、受体（猝灭剂）及供受体之间的桥联媒介。在基于石墨烯的FRET 传感器中，石墨烯及其衍生物既可以作为供体，又可作为受体。一方面，石墨烯由于其结构特点，能够同时猝灭发射波长或结构不同的多种荧光团的荧光，是一种通用的猝灭剂；另一方面，石墨烯及其衍生物经过一定的化学处理，可以产生荧光信号，可作为荧光供体。基于石墨烯的FRET 生物传感器依托于一些生物分子构建的桥联基， 用于调节供体荧光团和受体之间的距离，从而引起荧光的变化。其中，DNA 、蛋白质、多肽等生物分子均 可以作为桥联基。 2．1以石墨烯作为猝灭剂 在报道的基于石墨烯材料的FRET 传感器中，以石墨烯材料作为猝灭剂的居多。氧化石墨烯（GO ）是石墨烯的一种重要衍生物，是化学还原法制备石墨烯的前驱体，在石墨烯片层结构的边缘和表面带有 多种含氧基团， 如羧基、羟基、环氧基等。正是由于这些含氧基团的存在，使其较石墨烯具有更好的水溶性，可以应用于生物体系中。石墨烯及GO 由于其大面积的共轭结构，可以作为能量受体猝灭多种有机染料及量子点的荧光，是一种广适性的荧光猝灭剂。与传统的猝灭剂相比，石墨烯材料具有更高的猝灭 效率，使FRET 传感器具有背景低、信噪比高、可多重检测的显著特点 ［14 16］。2．1．1基于DNA 联接研究表明，石墨烯能区分多种DNA 分子结构，包括ssDNA ，dsDNA 以及茎环 结构等［17，18］。石墨烯及GO 由于其结构特点，对带有裸露的环状结构的化合物具有强烈的吸附能力。第41卷 2013年2月分析化学（FENXI HUAXUE ）特约来稿Chinese Journal of Analytical Chemistry 第2期174 180
范德华异质结紫外光电探测器的设计与性能研究
范德华异质结紫外光电探测器的设计与性能研究自石墨烯被发现以来,具有原子层级厚度,层间范德华力堆叠和表面无化学悬挂键等特性的二维层状纳米材料展现出一系列优异的光电性质,从而受到研究人员的高度重视,并被广泛应用于各类电子和光电子器件中。在范德华力结合的层状材料中,结构和电子多样性的出现为基础科学研究和应用器件设计开辟了新的途径,为探索新奇的物理现象和内在机制提供了一个理想的研究平台。 在种类繁多的二维材料体系中,二维过渡金属硫属化物（TMDs）由于其良好的化学稳定性、高载流子迁移率和层数依赖的可调带隙,成为制备光电子器件的理想材料。其中,二硫化钼（MoS2）是目前TMDs中研究最为广泛的二维材料,当其层数由块体减少至单层时,MoS2由1.2 eV的间接带隙半导体转变为1.9 eV直接带隙半导体。 另外,作为新发现的贵金属硫化物,二硒化铂（PtSe2）具有更宽的可调带隙,其单层带隙为1.2 eV,双层带隙为0.21 eV,块体材料为半金属零带隙。这些优异的光电特性为设计构建高性能光电探测器提供了良好的材料基础。 目前基于不同结构和探测机理的二维纳米光电探测器已经被成功制备,器件展现出良好的探测性能,并已经实现了从紫外光,可见光和红外光到太赫兹体系的探测。尽管拥有上述优点,二维层状纳米材料及其光电探测器件也存在一些不足之处。 例如,二维材料拥有较低的光学吸收系数;存在显著的激子效应,极大阻止了光生电子-空穴对的分离。此外,一些二维材料在大面积制备方面仍然存在挑战。 设计构建二维/三维（2D/3D）混合维度范德华异质结器件是解决上述问题的有效途径。这是因为:二维纳米材料的光学吸收和光谱选择性受到其超薄性质和