利用紫外光氧化方法對石墨烯薄膜改性及光致發(fā)光研究.pdf

1、近年來，石墨烯及其它二維材料的光致發(fā)光吸引了越來越多科研工作者的興趣。不同于具有直接能隙的單層二硫化鉬或二硫化鎢薄膜，石墨烯是一種無能隙的二維半金屬材料，其本身并不發(fā)光，其經(jīng)過特定的物理或化學(xué)方法改性后會產(chǎn)生光致發(fā)光效應(yīng)。目前，人們普遍采用濕法化學(xué)氧化來實現(xiàn)石墨烯在某一試劑中的光致發(fā)光，包括氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、石墨烯量子點。然而，利用干法刻蝕直接在石墨烯薄膜上制備具有光致發(fā)光的納米結(jié)構(gòu)對于其在光子和光電子領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。

2、r>　　本論文中，我們利用干法紫外光臭氧化方法直接刻蝕Si/SiO2基底上的石墨烯薄膜，探索實現(xiàn)光致發(fā)光的刻蝕條件，研究光致發(fā)光性質(zhì)和機(jī)制，具體來說主要分為以下三個方面。
　　首先，我們利用以低壓汞燈為光源的紫外光臭氧化真空設(shè)備研究了基底溫度、氧氣壓強(qiáng)等參數(shù)對石墨烯薄膜刻蝕程度的影響。利用原子力顯微鏡對生成的納米結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)：（1）當(dāng)氧氣壓強(qiáng)為96.3 kPa，基底溫度從室溫逐步升高到120℃時，石墨烯納米結(jié)構(gòu)形貌從

3、納米絲變成納米點，并且納米點尺寸隨著溫度的升高而增大，刻蝕深度從1 nm增至6 nm；（2）當(dāng)基底溫度為100℃，氧氣壓強(qiáng)從61.3 kPa增至81.3 kPa時，石墨烯表面納米結(jié)構(gòu)從納米點和納米片混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽?0 nm的致密納米點結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步研究表明：紫外光臭氧化方法制備的石墨烯納米結(jié)構(gòu)機(jī)械性能穩(wěn)定，化學(xué)活性隨著臭氧化程度的增強(qiáng)而增大。
　　其次，我們利用紫外光臭氧化方法在室溫下實現(xiàn)了多層石墨烯薄膜納米結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光，其具

4、有如下兩個重要特征：（1）單層和雙層石墨烯薄膜納米結(jié)構(gòu)不具有光致發(fā)光效應(yīng)；（2）多層石墨烯薄膜的光致發(fā)光局域在邊界或者懸浮部分，其形貌分別為納米點和納米絲狀結(jié)構(gòu)。在325 nm激光激發(fā)下，其發(fā)射光譜中心波長在590 nm，半高寬為180 nm。研究結(jié)果分析表明：石墨烯納米結(jié)構(gòu)底部未被刻蝕的石墨烯和Si/SiO2基底對于其光致發(fā)光均具有嚴(yán)重的淬滅效應(yīng)，從而導(dǎo)致多層石墨烯中心區(qū)域以及單層、雙層石墨烯納米結(jié)構(gòu)不具備光致發(fā)光效應(yīng)。然而，紫外光臭

5、氧化過程在多層石墨烯側(cè)壁或懸浮石墨烯底部生成的納米氧化石墨烯能夠有效降低熒光淬滅效應(yīng)。
　　最后，當(dāng)紫外光臭氧化過程基底溫度為120℃時，我們實現(xiàn)了三層石墨烯整個面的光致發(fā)光效應(yīng)。隨著基底溫度的升高，多層石墨烯邊緣的局域光致發(fā)光效應(yīng)消失。但是，我們發(fā)現(xiàn)三層石墨烯整個面出現(xiàn)了微弱光致發(fā)光效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)為直徑40 nm、高度6 nm的納米點。研究結(jié)果表明，高溫紫外光臭氧化制備的這種納米團(tuán)聚結(jié)構(gòu)能夠有效降低基底表面帶電雜質(zhì)的熒光淬滅效應(yīng)。

6、
　　我們通過比較上述室溫和高溫（120℃）下形成的石墨烯納米結(jié)構(gòu)光致發(fā)光，探索了紫外光臭氧化生成的石墨烯納米結(jié)構(gòu)發(fā)光機(jī)制。X射線光電子能譜（XPS）研究結(jié)果表明：高溫氧化刻蝕后sp3相對sp2雜化碳原子比例明顯增加，含氧官能團(tuán)也增多，但其相對含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳原子。通過比較室溫和高溫下制備的石墨烯納米結(jié)構(gòu)形貌、表面化學(xué)官能團(tuán)和發(fā)光性質(zhì)，我們認(rèn)為：石墨烯納米結(jié)構(gòu)光致發(fā)光主要是由局域的sp2團(tuán)簇中電子-空穴對的輻射復(fù)合引起的，未被刻蝕的