【2017年整理】化学法处理氧化石墨烯得到蓝色荧光的研究--翻译.doc

化学法处理氧化石墨烯得到蓝色荧光的研究 By Goki Eda, Yun-Yue Lin, Cecilia Mattevi, Hisato Yamaguchi, Hsin-An Chen, I-Sheng Chen, Chun-Wei Chen,* and Manish Chhowalla* 荧光有机化合物对于开发低成本的光电器件[1]有着显著意义。来自芳族或烯烃分子的蓝色荧光以及它们的衍生物在显示和照明应用[2]中尤为重要。低分子量的薄膜沉积，荧光有机化合物通常需要昂贵的真空蒸发系统。另一方面，水溶液的同类聚合物由于较大离域链的缘故一般在较长波长发光。因此，来自水溶液材料的蓝光发射具有独特的工艺意义。在这里，我们报告了经溶液处理的氧化石墨烯（GO）近紫外到蓝色的光致发光（PL）。PL的特点及其依赖于GO的还原表明，它源于电子空穴（e-h）对的重组，局部范围内小sp2碳原子簇嵌入一个sp3杂化矩阵。结果表明石墨烯片材上提供了一个荧光成分可以量化而不会失去宏观结构完整性的母体结构。我们的研究结果提供了在水溶液中用光电设备处理石墨烯的独特路线。 石墨烯是一种在固态物理研究[3]基础研究和应用中令人兴奋的材料。新型凝聚态，其独特的2D能量色散以及卓越的性能很有希望实现各种各样的应用。然而，石墨烯是一种零带隙半导体，由于场效应设备[4]大量泄漏电流，因此在应用到传统的电子产品时面临一系列特殊的挑战。由于缺乏的能带隙，观察到发光的可能性也是极小的。 最近，化学法处理的GO受到广泛关注，因其易在各种溶剂中生成晶片规模沉积[5-11]。由于结构紊乱，还原GO中运输载体有限[12,13]。但是，导电性105Sm-1（参考文献[ 5,6,14 ]）和迁移率10cm2VS-1（参考文献[15]）在应用中要足够大是价格低廉，性能适中的电子产品（如作为灵活的平台）所必需的。GO中很大一部分碳（0.5-0.6）是sp3杂化以环氧基和羟基基团[16,17]的形式与氧共价键合的。剩余的碳是sp2杂化和相邻的碳原子或与氧以羧基和羰基的形式键合，这主要是装饰石墨烯片材的边缘。因此，和由100％sp2-杂化碳原子组成的的理想石墨烯片对比，GO是一个sp2-和sp3键合原子的2D网络。GO的这种独特的原子和电子结构[18]，由可变的sp2/sp3部分组成，为新功能开辟了可能性。GO和机械剥离石墨烯之间最显著的区别是一个有限的带隙[19]的存在下所产生的光电性质。近年来，来自化学衍生GO的PL已被证明[20-22 ]。GO发光出现在可见光（VIS）和近红外（IR）波长范围，在生物传感荧光标记[20,21]方面可能有用。 在碳材料中含有sp2和sp3键合的混合物，光电性能由sp2位点[23]的π状态决定。sp2簇的π-π*电子含量在sp3矩阵的σ-σ*位点带隙范围内并强烈定位[24,25]。含有sp2和sp3混合物的无序碳薄膜的光学性能已被广泛地研究[26-30]。在这样的碳系统中的PL是sp2簇中的局部e-h对产生重组的结果，主要表现在发光中心或发色团[31]。由于带隙取决于sp2域的大小，形状，和馏分，可以通过控制sp2位点的性质实现可调PL发射。例如，PL能源线性尺度与sp2部分的无序碳系统[32]。 在这里，我们发现用紫外线辐射激发时，由几个单分子层组成的适度还原的GO薄膜发出近紫外蓝光。彻底脱落的悬浮液中的薄膜样品沉积可观察到蓝色PL。和参考文献[ 20-22]相比（见支持信息），在分散性差的悬浮液中GO膜沉积中，我们还观察到红光和近红外发射。我们通过还原处理适当地控制孤立的sp2簇的浓度来证明。与作为合成的材料相比，PL强度增加了10倍。GO还原可以通过多种方式实现以获得石墨烯状的导电材料[11]。一种普通的还原法是加入水合肼使GO由绝缘体转变成半金属[7]。GO的逐步转变由吸光度测量确认，如图1a中所示，相同的膜在各个还原阶段的吸光度（即与水合肼接触时间）。主要吸收峰由于合成的GO中C=C的π-π*迁移出现在~200 nm左右，还原后红移至260nm。广泛吸收光谱向上延伸到1500nm表明在紫外-可见中能量范围一个良好的带边的情况。观察到的所合成GO的320nm左右的带宽可能会导致C=O[33]的n-π*迁移。这个带宽经肼处理后几乎立即消失（见支持信息），最可能是由于羧基浓度的减少。吸光度随着与水合肼接触时间增加，符合氧变化（从开始的39％减少到还原后的7-8％），sp2馏分从0.4到0.8[14,17] 随之增加。 图1. a）吸光度和b,c）逐步还原的GO薄膜的光致发光谱。和肼接触的总时间表示在图中。（b）中的光致发光光谱在325 nm激发获得。（c）中PL激发光谱在发射光谱不同波长范围从370到450nm处获得。 每份水合肼增量（从20秒至60分钟