Сибирские и китайские учёные обнаружили сильную фотолюминесценцию в «дефектном» графене
4974
Специалисты из Новосибирского государственного университета, Института неорганической химии СО РАН и Пекинского университета химических технологий исследовали свойства модифицированного графита — перфорированного окисленного графена. В частности, было найдено объяснение природы наблюдаемой двухволновой фотолюминесценции и полученного рекордного значения квантового выхода 11,6%. В перспективе такое соединение может использоваться в электронных и оптоэлектронных приложениях, например, для создания фототранзисторов, устройств конверсии энергии, фотодетекторов и осветительных приборов.
Оптические изображения водной дисперсии (a), порошка (b)
перфорированного окисленного графена, водной дисперсии с величиной
поглощения равной 1 при 222 нм (c); электронномикроскопические
изображения оксида графита (d) и перфорированного окисленного графена
(e, f, g)
Графен — монослой кристалла графита. Учёные из Китая и России создали из оксида графита тонкие слои оксида графена с большим количеством дефектов (дырок) в структуре и изучили его строение и фотолюминесцентные свойства. Китайская сторона занималась экспериментальной частью работы, российская — интерпретацией результатов с помощью квантовой химии.
В исследовании приняли участие учёные из лаборатории углеродных волокон и функциональных полимеров Пекинского университета химических технологий под руководством профессора Хуайхе Сонга (Huaihe Song) , лаборатории углеродных наноматериалов Новосибирского государственного университета, лаборатории физикохимии наноматериалов Института неорганической химии им. А. В. Николаева (ИНХ) СО РАН.
На основе проведенного исследования в журнале Carbon (IF= 6,198) опубликована статья Leaky graphene oxide with high quantum yield and dual-wavelength photoluminescence.
Как отмечает заведующий лабораториями углеродных наноматериалов НГУ и физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН, эксперт САЕ НГУ «Низкоразмерные гибридные материалы» Александр Окотруб, идея получения нового материала была предложена сотрудниками институтской лаборатории (Николаем Юдановым и Вячеславом Туром):
— Несколько лет назад нам удалось получить модифицированный графит путём придания ему большого количества дырок в графеновых слоях (перфорированный графит). Эта идея очень понравилась китайским коллегам, с которыми мы сотрудничаем в области создания новых гибридных углеродных материалов для электрохимических накопителей энергии.
Синтезом образцов занимался аспирант Пекинского университета химических технологий Су Чжан (Su Zhang). В процессе повторного окисления оксида графита образовались слои графена с большим количеством структурных дефектов и кислородосодержащих функциональных групп, которые условно поделили его на участки разных размеров.
Оказалось, что окисленный перфорированный графен при облучении ультрафиолетом проявляет двухволновую фотолюминесценцию в сине-зелёном диапазоне с квантовым выходом (отношением среднего количества излучённых квантов к количеству поглощённых), равным 11,6%. Для исходного оксида графита эта величина составляла 7%. Су Чжан обратился к новосибирским коллегам, чтобы выяснить природу двух волн излучения и объяснить рекордное значение квантового выхода.
По словам старшего научного сотрудника лабораторий углеродных наноматериалов НГУ и физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН Юлии Федосеевой,
известно, что графен — проводник, не проявляющий оптических свойств, но
если уменьшить его площадь до нанометровых размеров, то он приобретает
характеристики полупроводника — с уменьшением размера графеновых
плоскостей ширина запрещённой зоны и оптического перехода увеличивается,
при этом длина волны испускаемого света уменьшается:
— Высокая величина квантового выхода в данном эксперименте оказалась связана с тем, что после окисления и создания дырок в плоскости графена размер изолированных фрагментов материала стал намного меньше. Их большое количество и малый размер повлияли на цвет и высокую интенсивность фотолюминесцентного свечения.
Вторая часть работы была связана с исследованием влияния на графен кислородосодержащих функциональных групп. Перфорированный окисленный графен восстановили тремя способами — гидротермальным, сольвотермальным в присутствии гидразина и нагреванием в гидразин-гидрате. После восстановления в образцах уменьшилось количество кислородосодержащих групп, и появился азот, который входит в состав гидразина. Квантовый выход снизился, соответственно методам, до 1,7%, 4,6% и 5,6%, а спектры фотолюминесценции сдвинулись в синюю область и уменьшились в интенсивности.
— Мы пришли к выводу, что фотолюминесценция в перфорированном оксиде графена и возникает в результате электронных переходов, в которых участвуют связующие и разрыхляющие π-орбитали графена. Две полосы фотолюминесценции показывают, что в образце присутствуют графеновые области разного размера, которые отделены друг от друга «дырками» и функциональными группами. После удаления функциональных групп размер графеновых областей увеличивается, и интенсивность в основном зеленой полосы фотолюминесценции уменьшается, — говорит Юлия Федосеева.
Учёные также выяснили, что если удалить кислород- и азотсодержащие группы, расположенные на краях графена, то диапазон свечения сдвигается в синюю область спектра.
Александр Окотруб подчёркивает, что у окисленного графена есть широкие перспективы применения в электрохимических приложениях:
— Слои перфорированного графена выступают как очень тонкие фильтры, через которые могут протекать только очень маленькие молекулы. Мы изучали структуру этих соединений, химически-реакционную способность, и сейчас ведётся работа по исследованию и применению таких веществ в электрохимии. Создавая дефекты на поверхности графена, мы сильно модифицируем его свойства — появляется заряд, меняется тип носителей, их концентрация и даже характер проводимости. Если графен в основном используется в электронных приложениях, то окисленный графен найдёт применение в электрохимии, в литий–ионных аккумуляторах, в качестве носителя в электрокаталитических системах, топливных элементах и многих других приложениях.
Анастасия Аникина
Похожие новости
В НГУ исследовали зависимости электрохимического поведения материалов для суперконденсаторов от температуры отжига и типа электролита
579
Кадры для инноваций: об Институте химических технологий
1078
В Новосибирске создан новый нанокомпозитный материал
936
Сибирские ученые оптимизируют работу электронных дисплеев органическими полупроводниками
2301
Новосибирские ученые первыми в мире получили данные о механизме прохождения ценных промышленных газов через перспективный пористый материал ZIF-8
955
Новосибирские учёные ищут объяснение транспортных свойств твердых электролитов
623
Обнаружены особенности образования соединений, мешающих добыче нефти и газа
2328
НГУ и Институт катализа СО РАН создали платформу адресной подготовки специалистов для промышленности
2140
Ученые рассчитали параметры устойчивости гибридных фотоэлектрических наноматериалов
1319
Новосибирские учёные исследуют искусственные наночастицы
3574