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Apr 29, 2024

2 におけるバンドギャップ削減の最適化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6954 (2023) この記事を引用 688 アクセス メトリクスの詳細 このレポートでは、光学バンドギャップを調整するためのさまざまな製造パラメータを開発しました。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6954 (2023) この記事を引用

688 アクセス

メトリクスの詳細

このレポートでは、酸化グラフェン (GO) ナノシートをエレクトロニクス産業での実用候補にするために、酸化グラフェン (GO) ナノシートの光学バンドギャップを調整するためのさまざまな製造パラメーターを開発しました。 ここでは、GO ナノシートのバンドギャップを減らす 2 つの方法を実行しました。 まず、酸化剤 (KMnO4) の量を減らして GO の酸化レベルを最適化し、一連の GO ナノシート サンプルの sp2/sp3 ハイブリダイゼーション比を制御しました。 KMnO4 の量が 100% から 30% に減少すると、GO ナノシートの一次バンド端が 3.93 ～ 3.2 eV に減少し、二次バンド端が 2.98 ～ 2.2 eV に減少することに気づきました。 第二に、新しい合成プロセスの湿式含浸法を使用して、GO/酸化鉄を含む一連の二次元ナノ複合材料サンプルを作製しました。 合成されたナノ複合材料の XRD 分析により、GO の顕著な面 (001) を持つ酸化鉄の \(\alpha\)-Fe2O3 と Fe3O4 の両相の存在が確認されました。 形態学的調査により、酸化鉄ナノ粒子の凝集および GO ナノシートの凝集の可能性はすべて除外されます。 元素マッピングにより、GO ナノシート全体に酸化鉄ナノ粒子が均一に分布していることが裏付けられました。 ラマン分光法により、D ピークと G ピークの ID/IG 比と FWHM がほぼ一定であることが確認され、ナノコンポジットの合成プロセスが GO フレークの酸化度に影響を及ぼさないという事実が証明されました。 すべてのナノ複合材料サンプルの G ピーク位置の赤方偏移は、ナノ複合材料の構成要素間の電子相互作用を示しました。 酸化鉄ナノ粒子の増加に伴うPL（フォトルミネッセンス）スペクトルの強度の線形減少は、酸化鉄ナノ粒子とGOフレーク間の相互作用の増加を示しています。 光吸収分光法により、GO ナノシートにおける \(\alpha\)-Fe2O3 ナノ粒子の添加量が 0% から 5% に増加するにつれて、バンドギャップの一次エッジが 2.8 から 0.99 eV に直線的に減少し、二次エッジが 3.93 ～ 2.2 eV 減少することが明らかになりました。 これらのナノ複合材料サンプルの中で、5% 酸化鉄/95% GO ナノシート サンプルは、電子デバイスの有力候補となる可能性があります。

単層のグラフェンは、炭素原子間に sp2-sp2 結合を持つゼロバンドギャップ材料です。 半導体デバイスで使用するには、酸化グラフェン (GO) の形成時に酸素を官能基化してバンドギャップを広げる必要があります。 この酸素の官能基化により、原子間に sp3-sp3 結合が生じ、非常に高いバンドギャップを持つほぼ絶縁性の特性が得られます。 このバンドギャップを小さくするには、GO を還元型 GO (r-GO と呼ばれる) に還元せずに、酸素/炭素 (O/C) 比の量を制御することが最も重要です。 GO の酸素濃度とバンドギャップの間には直線的な関係があり、酸素と炭素の比率が増加するとバンドギャップも直線的に増加することが理論的に観察されています 1,2。 このバンドギャップの増加は、電子状態の局在化と C-C 原子間の結合の弱さによって観察されます。 この弱い結合は、グラフェンの π 軌道とエポキシ基の酸素の 2pz 軌道の間の相互作用によって生じます。 GO における O/C 比が最大 50% 以上増加すると、バンドギャップも直接から間接に移行します 3,4。 GO 層の積層構成もバンドギャップに影響を及ぼし、フェルミ準位付近の占有されていない状態が緩和されるため、AA 積層は AB よりも適しています5。 低コストで大規模な製造方法であるため、電子デバイスの用途に適しています。 しかし、GO の光学バンドギャップは、電子デバイスの半導体として動作するために必要なバンドギャップよりもはるかに大きいです。

凍結鋳造法を使用した規則的な構造（例えば、放射状および中心対称）を有する GO エアロゲルの製造は、Wang らによって実証されています 6,7。 グラフェンとその誘導体ベースの材料の 3D プリンティングにおける最近の開発と、電池、スーパーキャパシタ、太陽蒸気発生器、電熱変換などへの応用の可能性が包括的にレビューされています8。 Chen ら 9 は、急速加熱技術を使用して、物理的バリアを使用して、均一で、所望の厚さの GO フィルムを所定の高さまで膨張、縮小させ、その後圧縮して低酸素の緻密な紙状材料を作成しました。これは、多くの用途に役立つ可能性が高い、さまざまな厚さの「グラフェン」フォイルを製造するためのルートを提供します。