Cu2O/reduced graphene oxide纳米复合材料的制备及其光电响应研究

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氧化亚铜(Cuprous Oxide,Cu2O)作为P型半导体材料,具有窄带隙、易制备与无毒性等优点,在光电探测、太阳能电池与光催化降解等方面有着广阔的应用前景。尽管Cu2O有着诸多优点,但其电学性能较差,不利于内部产生的光生载流子的分离,制约了Cu2O在光电领域的应用。纳米材料具备许多特殊的性质,如量子尺寸效应、表面与界面效应和宏观隧道效应等,且不同形貌的纳米材料可能会表现出不同的性质,因此本文研究了纳米颗粒与纳米线两种形貌的Cu2O材料。为了进一步提高Cu2O的光生载流子分离效率,我们引入了还原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide,rGO)作为电子传输层,合成出了具有良好电学性能的Cu2O/rGO复合材料,并研究了复合材料的光电响应特性。本文采用湿法还原法和水热法分别制备了Cu2O纳米颗粒及其Cu2O/rGO纳米颗粒复合物、Cu2O纳米线及其Cu2O/rGO纳米线复合物,并使用X射线衍射能谱(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等表征方式对材料的晶体结构和形貌进行了表征;同时使用紫外可见漫反射光谱(UV-vis)、荧光光谱(PL)来研究材料的光学性能。最后,我们利用叉指电极,通过喷涂的方法分别制备出光电响应器件,在光照(532nm)条件下,测试其光电响应性能。本论文的主要研究成果总结如下:(1)Cu2O纳米颗粒与Cu2O纳米线表征分析。通过XRD与SEM结果分析,Cu2O纳米颗粒的衍射峰与Cu2O标准PDF卡片相符合,其形貌为类立方体,尺寸约为50-200nm,分布较为均匀。Cu2O纳米线的衍射峰也与标准PDF卡片相符合,其形貌为线状,直径约为100-200nm,长度为微米量级。实验结果表明了Cu2O纳米颗粒与纳米线材料的成功合成。(2)Cu2O/rGO纳米颗粒复合物与Cu2O/rGO纳米线复合物表征分析。从SEM图中可以看出Cu2O纳米颗粒附着在了褶皱的rGO上,且形貌尺寸均匀,Cu2O纳米线也均匀生长在了rGO上,表明了两种形貌复合材料的成功合成。在UV-vis光谱中,Cu2O/rGO纳米颗粒复合物表现出更高的吸收强度。分析PL光谱,Cu2O/rGO纳米颗粒复合材料的荧光强度明显减弱,出现了淬灭的现象,这是因为复合材料光生载流子的分离效率得到提高,表明rGO抑制了光生电子-空穴对的复合。而Cu2O/rGO纳米线复合材料的UV-vis与PL光谱也表现出了与Cu2O/rGO纳米颗粒复合材料相同的性质,表明了引入rGO确实提高了Cu2O纳米线的光生载流子分离效率。(3)光电响应器件性能分析。对所制备的光电响应器件进行测试,结果表明Cu2O纳米颗粒器件的开关比(光电流与暗电流之比)为1.14,而Cu2O/rGO纳米颗粒复合物器件的开关比则为3.25,相较之下有明显提升,表明引入rGO之后,Cu2O纳米颗粒的电学性能得到增强。Cu2O纳米线器件的开关比为1.90,Cu2O/rGO纳米线复合物器件的开关比则为5.80,相较之下有显著提升,表明加入rGO之后,Cu2O纳米线的电学性质得到增强。综上所述,本文合成了两种不同形貌的Cu2O纳米材料及其与rGO的复合材料,复合材料均表现出了良好的电学性能,为设计新型光电响应器件提供了新的思路。
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