用于光电应用的定制化石墨烯衍生物

最近发表在《Nanomaterials 》杂志上的一项研究证明了使用紫外线（UV）照明的原位光降解对各种石墨烯衍生物的非线性光学响应（NLO）的影响。

研究：通过紫外线（UV）照射定制某些石墨烯衍生物的非线性光学响应。图片来源：3DStach/Shutterstock.com

原位紫外光还原可以更广泛地调整功能化水平，从而有效控制SP²/sp³杂交比例。该方法可用于创建具有定制响应的衍生物，这些响应更适合各种光学和光电应用。

石墨烯：重要性和应用

由于其显着的特征，石墨烯一直是过去十年中研究最多的物质之一。石墨烯是一种具有0带隙的二维碳非晶材料，其优异的机械，生化和光子特性使其成为各种技术领域的有吸引力的材料，包括太阳能电池板，光电探测器系统，超导体，适应性强的电子部件，场效应电路等。

然而，石墨烯的零能带隙使其难以整合到特定的电气和光子器件中。

在这方面，主要的研究工作集中在打开和调节石墨烯异质结构中有限能量间隙的技术上，从而扩大了材料未来使用的机会。

在描述的用于修饰石墨烯能带隙的几种方法中，通过在石墨烯片表面插入适当的原子来共价功能化是最常用的。

石墨烯原子的共价官能化

石墨烯的碳原子是sp的事实²-杂交并且每个碳在垂直于表面的平面上具有Pz壳，允许共价功能化，从而产生非常强的共轭键。最近提出了不同的元素和有机/无机化合物，并广泛用于石墨烯衍生化。

总体而言，这些研究表明，改变石墨烯与不同原子或分子的界面可以显着改变其特性，从而允许制造具有可调节光子，生化和物理能力的各种新鲜生产的纳米材料。氧化石墨烯和氟石墨烯是研究最多的两种石墨烯衍生物。

 UV–Vis–NIR absorption spectra of pristine and irradiated G dispersion. © Stathis, A. et al. (2022). 

氧化石墨烯和氟石墨烯的意义

氧化石墨烯（GO）是石墨烯的关键功能化对应物，石墨烯是由氧化石墨与强大的氧化化学品产生的。由于其在溶剂中优异的溶解速率，GO是使用最广泛的材料之一，使其更易于处理和应用，而不同氧官能团的加入丰富了其成分，以便进一步发展。

氟化石墨烯（GF），又称氟石墨烯，是一种对可见光在视觉上透明的二维材料。氟化石墨烯的功能化很简单，导致具有必要氟浓度和光学和化学特性可调节性的重建变体，使石墨烯氟化物成为创新石墨烯衍生物最具吸引力的基板之一。

由此可见，改变这些化学改变的石墨烯片的氧/氟比，即sp²/sp³杂交比例是一种有效且相对直接的技术，用于调整其能量带隙。微调此比率的能力可实现连续的带隙定制。

研究结果和结论

为了定制这些石墨烯衍生物的三阶NLO反应，本文探讨了某些石墨烯（G），氧化石墨烯（GO），氟化石墨烯（GF）和杂化石墨烯氟化物（GFH）悬浮液的紫外光还原。比较了几种石墨烯衍生物样品在紫外光照射前后的吸光度谱，发现GO、GF和GFH的胶体有实质性的改善，表明石墨烯片的键形成发生了变化，而纯石墨烯的胶体保持不变。

辐射或光还原材料的NLO反应根据照明周期而显着变化，表明结构变化。与GF和GFH胶体的渐近下降NLO反应相比，观察到GO胶体的NLO反应在辐射后上升。

 Reχ 中的变化⁽³⁾/Imχ⁽³⁾照射前后每个样品的比例。© Stathis， A. et al. （2022）.

未来展望

研究结果表明，紫外光导可以成为控制这些纳米结构材料的电子和光学性质的可靠而有效的措施，从而产生具有定制非线性光学反应的石墨烯基物质的广泛组合。因此，可以制造最能代表各种光电子和光子应用需求的物质。

参考

Stathis, A. et al. (2022). Tailoring the Nonlinear Optical Response of Some Graphene Derivatives by Ultraviolet (UV) Irradiation. Nanomaterials, 12(01), 152. Available at: https://www.mdpi.com/2079-4991/12/1/152