石墨烯-半導體量子點復合體系薄膜制備及光電性能研究新進展
低維碳納米材料的發現或合成，重新引起了人們對碳材料的巨大研究興趣，加快了納米材料和技術的發展。自2004年英國Manchester大學A.K.Geim組用力學剝離方法制備出石墨烯(Graphene)材料后，Graphene優異性能被陸續揭示，成為目前室溫導電速度最快、力學強度最大、導熱能力最強的材料，有望在納電子學、能源、環境、生物醫學等領域得到應用。然而，由于特殊的零帶隙線性能帶色散關系，Graphene在紫外到近紅外光學吸收范圍內呈現帶間吸收主導的恒定的光電導現象，無共振吸收峰，在光電轉化中的性能應用受到限制。半導體量子點（QDs），是另一個引起人們研究興趣的納米體系。它在生物熒光標記、電致發光、光電器件方面具有重要應用前景。QDs具有分立的電子能級和尺寸依賴的能級間距和帶隙，以及CdSe，PbSe等小帶隙QDs呈現激子倍增現象，有望在高效光電轉化器件中得到應用。然而，QDs是由無機半導體的芯和絕緣的有機配體外殼組成，有機配體阻礙了QDs之間的耦合，增加了組裝體系中的無序，導致半導體QDs體系具有極低電導率和光電導率，限制了QDs在光電方面應用。因此，改善半導體QDs體系的電導率對它們在光電轉化方面的應用具有重要意義。
中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究生耿秀梅在導師程國勝、劉立偉研究員指導下，與中科院物理所和國家納米中心科研人員合作，在石墨烯-半導體量子點復合體系光電轉化方面取得了新的進展，成功地完成了新型的石墨烯-半導體量子點非共價復合材料體系材料制備，實現了具有光電轉化性能的透明導電薄膜。通過QDs的配體置換，和利用π-π相互作用，解決了兩者在水溶液中共溶以及增強了兩者間的相互作用等問題，使化學轉化的Graphene與CdSe量子點通過吡啶結合在一起(圖1）。當用可見光照射時，光電導實驗證實了激發的電子從CdSe到石墨烯的遷移。通過增加CdSe量子點的濃度，復合體系暗電導逐漸降低，光敏性能逐漸增強。由于石墨烯的引入，復合體系薄膜的光電導率，與純量子點體系的薄膜相比，獲得十個數量級的增加（圖2）。該項研究對改善半導體量子點體系的電導率，制作柔性大面積石墨烯-半導體量子點復合體系薄膜及其光電轉化應用具有指導意義。
相關成果在Advanced Materials 22，638（2010）上發表。這篇論文2009年11月在Advanced Materials網絡版發表后，即被該刊物評為2009年12月份訪問量最高的前5篇論文之一。已申請中國專利1項。
上述研究工作得到國家自然科學基金委、蘇州市科技發展計劃項目資助。
圖1. 石墨烯-量子點非共價復合體系形成示意圖
圖2.石墨烯-量子點復合體系薄膜以及光電性能。(a)石墨烯柔性透明薄膜。(b)石墨烯-量子點復合體系薄膜。(c)石墨烯-量子點復合體系薄膜器件。(d)石墨烯、量子點以及復合體系光吸收。(e)石墨烯-量子點復合體系薄膜透過率。(f)石墨烯-量子點復合體系薄膜光電響應。
