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Apr 29, 2024

Ottimizzazione della riduzione del bandgap in 2

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 6954 (2023) Cita questo articolo 688 Accessi Dettagli sulle metriche In questo rapporto abbiamo sviluppato diversi parametri di fabbricazione per personalizzare il bandgap ottico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6954 (2023) Citare questo articolo

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In questo rapporto abbiamo sviluppato diversi parametri di fabbricazione per personalizzare il bandgap ottico dei nanofogli di ossido di grafene (GO) per renderlo candidato operativo nell'industria elettronica. Qui abbiamo eseguito due modi per ridurre il bandgap dei nanosheet GO. Innanzitutto, abbiamo ottimizzato il livello di ossidazione del GO riducendo la quantità di agente ossidante (cioè KMnO4) per controllare il rapporto di ibridazione sp2/sp3 per una serie di campioni di nanofogli GO. Abbiamo notato la riduzione del bordo della banda primaria di 3,93–3,2 eV mentre il bordo della banda secondaria di 2,98–2,2 eV dei nanofogli GO poiché la quantità di KMnO4 è diminuita dal 100 al 30%. In secondo luogo, abbiamo fabbricato una serie di campioni di nanocompositi bidimensionali contenenti GO/ossido di ferro utilizzando un nuovo metodo di impregnazione a umido del processo di sintesi. L'analisi XRD dei nanocompositi sintetizzati ha confermato la presenza di entrambe le fasi,\(\alpha\)-Fe2O3 e Fe3O4 dell'ossido di ferro con il piano prominente (001) di GO. L'indagine morfologica esclude tutte le possibilità di agglomerazioni di nanoparticelle di ossido di ferro e coagulazione di nanofogli GO. La mappatura elementare ha confermato la distribuzione omogenea delle nanoparticelle di ossido di ferro nei nanofogli GO. La spettroscopia Raman ha confermato il rapporto ID/IG e FWHM abbastanza costanti dei picchi D e G, dimostrando così il fatto che il processo di sintesi dei nanocompositi non ha alcun effetto sul grado di ossidazione delle scaglie GO. Lo spostamento verso il rosso nella posizione del picco G di tutti i campioni di nanocompositi ha mostrato l'interazione elettronica tra i costituenti del nanocomposito. La diminuzione lineare dell'intensità degli spettri PL (fotoluminescenza) con l'aumento delle nanoparticelle di ossido di ferro punta verso una maggiore interazione tra le nanoparticelle di ossido di ferro e le scaglie GO. La spettroscopia di assorbimento ottico rivela la diminuzione lineare del bordo primario del bandgap da 2,8 a 0,99 eV mentre il bordo secondario diminuisce di 3,93–2,2 eV man mano che il caricamento delle nanoparticelle \(\alfa\)-Fe2O3 aumenta dallo 0 al 5% nei nanofogli GO. Tra questi campioni di nanocompositi, il campione di nanofogli di ossido di ferro al 5%/95% GO può essere un buon concorrente per i dispositivi elettronici.

Il grafene nella sua forma monostrato è un materiale con gap di banda zero con legami sp2-sp2 tra atomi di carbonio. Per il suo utilizzo nei dispositivi a semiconduttore, la sua banda proibita deve essere aperta mediante funzionalizzazione dell'ossigeno nella formazione di ossido di grafene (GO). Questa funzionalizzazione dell'ossigeno si traduce in un legame sp3-sp3 tra atomi e proprietà quasi isolanti con un bandgap molto elevato. Per ridurre questo gap di banda, è molto importante controllare la quantità di rapporto ossigeno/carbonio (O/C) senza ridurre il GO in GO ridotto (noto come r-GO). Teoricamente si osserva una relazione lineare tra la concentrazione di ossigeno e il bandgap di GO con un aumento lineare del bandgap con l'aumento del rapporto ossigeno/carbonio1,2. Questo aumento del gap di banda è osservato a causa della localizzazione degli stati elettronici e del debole legame tra gli atomi C – C. Questo debole legame risulta dall'interazione tra l'orbitale π del grafene e l'orbitale 2pz dell'ossigeno del gruppo epossidico. Con l’aumento del rapporto O/C fino o più del 50% in GO, anche il bandgap passa da diretto a indiretto3,4. La configurazione di impilamento degli strati GO ha anche un effetto sul bandgap con l'impilamento AA che è più adatto di AB a causa dell'allentamento dei livelli non occupati indicati vicino al livello fermi5. Il suo basso costo e il metodo di produzione su larga scala lo rendono favorevole per le applicazioni di dispositivi elettronici. Ma il gap di banda ottica del GO è molto maggiore di quello necessario per funzionare come semiconduttore nei dispositivi elettronici.

La fabbricazione di aerogel GO con strutture ordinate (ad esempio radiali e centrosimmetriche) utilizzando il metodo di freeze casting è stata dimostrata da Wang et al.6,7. Vengono esaminati in modo esaustivo i recenti sviluppi nella stampa 3D del grafene e dei materiali a base di suoi derivati ​​e il possibile potenziale delle loro applicazioni per batterie, supercondensatori, generatori di vapore solare e conversione elettrotermica8. Utilizzando la tecnica di riscaldamento rapido, Chen et al.9 avevano prodotto pellicole GO uniformi, espanse e ridotte dello spessore desiderato a una determinata altezza mediante l'uso di una barriera fisica, seguita dalla compressione per creare un materiale denso simile alla carta con un basso contenuto di ossigeno contenuto e un maggiore contenuto di ibridazione di carbonio sp2 che fornisce un percorso per fabbricare lamine “grafeniche” di diversi spessori che potrebbero essere utili per molte applicazioni.