Großflächige Monolagen aus reduziertem Graphenoxid durch Deep-UV-Bestrahlung in Lösung

Zusammenfassung

Graphen wird seit Jahrzehnten in neuartigen optoelektronischen Bauelementen eingesetzt. Heute besteht eine hohe Nachfrage nach der Herstellung von großflächigem Monolagen-Graphen mit spektraler Selektivität. Hier berichten wir über eine einfache Methode zur Synthese von großflächigem, chemisch funktionalisiertem Monolagen-Graphen in Lösung. Weniglagiges Nano-Graphen kann unter kurzzeitiger UV-Bestrahlung in protischer Lösung in Monolagen-Nano-Graphen exfoliiert werden. Bei längerer UV-Exposition erfährt das exfoliierte Monolagen-Nano-Graphen eine Deoxygenierung. Gleichzeitig werden die Kanten des Nano-Graphens unter Deep-UV-Bestrahlung aktiviert, wodurch sich kleine Nano-Graphen-Schichten horizontal in Lösung zu größeren Strukturen zusammenlagern. Die Größe der aggregierten rGO-Strukturen steigt von 40 nm auf maximal 1 µm. Dieser Ansatz könnte eine vielversprechende, kostengünstige Methode für die zukünftige Synthese von großflächigem Monolagen-reduziertem Graphenoxid darstellen.

Hintergrund

Graphen ist ein vielversprechendes Material für ultradünne optoelektronische und photodetektorbasierte Bauelemente aufgrund seiner hohen Ladungsträgermobilität und hohen optischen Transparenz [1, 2]. Der Schlüssel zur hohen Photoresponse von Graphen-basierten Bauelementen ist die Fermi-Niveaustellung, die durch die Injektion von Ladungsträgern induziert wird [3]. Mit der Entwicklung der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wurde das Wachstum von großflächigem Graphen sowie die Herstellung von Graphen-basierten Bauelementen vereinfacht. Allerdings weisen Graphen-basierte Photoresponse-Bauelemente meist schwache Absorption und schlechte spektrale Selektivität auf. Die gängige Methode, diesen Nachteil zu überwinden, ist die Hybridisierung von Graphen mit Quantenpunkten [4], plasmonischen Nanostrukturen [5] oder anderen 2D-Materialien mit Energielücken [6], um eine photoinduzierte Ladungsträgerinjektion zu erreichen. Obwohl die CVD-Methode die Herstellung von großflächigem Graphen fördert, findet der Abscheidungsprozess üblicherweise unter extremen Bedingungen statt, wie Hochvakuum, hochselektiven Substraten usw. Dies limitiert die großflächige Fertigung für die kommerzielle Produktion. Neue und kostengünstige Methoden sind dringend erforderlich. Die lösungsmittelvermittelte Exfoliation von Weniglagen-Flocken ist eine der effizienten und kostengünstigen Methoden in der Graphenherstellung [7-15]. Die am weitesten verbreitete Methode ist das modifizierte Hummers-Verfahren. Dabei wird Graphit oxidiert und in Weniglagen-Graphen exfoliiert. Gleichzeitig enthält Graphen, das durch chemisch-oxidative Exfoliation hergestellt wird, verschiedene Funktionsgruppen, die die optische Absorption und spektrale Selektivität verbessern können. Andererseits beschädigt der oxidativ-exfoliative Prozess meist die Kristallinität der sp²-Domänen [16], was extrem hohe Temperaturen zur Erholung erfordert. Zwar kann der thermische Reaktionsprozess die sp²-Domänen wiederherstellen, jedoch werden fast alle Funktionsgruppen entfernt, was erneut zu schwacher Absorption und schlechter spektraler Selektivität führt. Hier berichten wir über eine neue Strategie zur Herstellung von großflächigem, chemisch funktionalisiertem Monolagen-Graphen durch Deep-UV-Bestrahlung. Das geschichtete Nano-Graphen kann unter kurzzeitiger UV-Exposition in Monolagen exfoliiert werden. Die neue sp²-Domäne kann während längerer UV-Exposition wiederhergestellt werden. Darüber hinaus können die Rand-Kohlenstoffatome während der UV-Bestrahlung aktiviert werden, wodurch sich mehrere Monolagen-Nano-Graphen-Schichten horizontal zu großflächigem Monolagen-Graphen zusammenlagern.

Experimentelle Methode

Herstellung von Graphenoxid

Graphenoxid (GO) wurde aus natürlichem Graphit durch Modifikation der Hummers-Methode synthetisiert, wie in unserer vorherigen Arbeit berichtet [17]. Das resultierende Gemisch wurde dutzende Male mit 5%iger HCl-Lösung und DI-Wasser gewaschen. Schließlich wurde GO-Feststoff nach Gefriertrocknung erhalten.

Synthese von Weniglagen-Nano-Graphen und Wachstum zu großflächigem reduziertem Graphenoxid

4,4 mg GO-Feststoff wurden in einen Teflon-ausgekleideten Autoklaven gegeben und 12 ml Ethanol (oder N,N-Dimethylformamid (DMF)) hinzugefügt. Das Gemisch wurde 5 Stunden auf 176 °C erhitzt. Der Überstand wurde durch eine 0,22-µm-Mikroporenmembran filtriert. Die resultierende kolloide Lösung war die Weniglagen-Nano-Graphen-Lösung.

4,4 mg GO-Feststoff wurden in einen Teflon-ausgekleideten Autoklaven gegeben und 15 ml DI-Wasser hinzugefügt. Das Gemisch wurde 5 Stunden bei 176 °C erhitzt. Anschließend wurde der Überstand durch eine 0,22-µm-Mikroporenmembran filtriert. Die kolloide Lösung war die Monolagen-Nano-Graphen-Lösung.

Die Exfoliation von Weniglagen-Nano-Graphen und das Wachstum zu großflächigem reduziertem Graphenoxid (rGO) wurden durch Bestrahlung mit Deep-UV-Licht (3 W, 254 nm) erreicht, wie in Schema 1 dargestellt.

Schematische Darstellung der Exfoliation von Weniglagen-Nano-Graphen zu Monolagen und Aggregation von rGO unter UV-Bestrahlung

Probencharakterisierung

Photolumineszenz (PL) und Fourier-transformierte Infrarotspektroskopie (FTIR) wurden an einem stationären Fluoreszenzspektrometer (FluoroMax-4, Horiba, Jobin Yvon) bzw. FTIR-Spektrometer (Nicolet 8700, Thermo Scientific) gemessen. Morphologie und Höhe wurden durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) im Tapping-Modus bei Raumtemperatur auf Si-Substrat (NT-MDT Prima) charakterisiert. Die Kristallinität der Probe wurde mit einem hochauflösenden Transmissions-Elektronenmikroskop (HRTEM) (JEM-2100F, JEOL) untersucht.

Ergebnisse und Diskussion

AFM wurde verwendet, um Morphologie und Größe des Nano-Graphens zu charakterisieren. Die Ergebnisse für Nano-Graphen unter verschiedenen UV-Bestrahlungszeiten sind in Abb. 1 dargestellt. Für frisches Nano-Graphen verteilen sich die Durchmesser hauptsächlich im Bereich von 30–60 nm und die Höhe beträgt > 2,5 nm (Abb. 1a). Die Höhe unseres Nano-Graphens ähnelt der von chemisch funktionalisiertem Nano-Graphen mit 2–3 Lagen Dicke [10, 18, 19]. Aus den AFM-Daten bestimmen wir, dass mehr als 85% des Nano-Graphens durch Stapeln von 2–3 Monolagen-Nano-Graphen-Monomeren über Van-der-Waals-Kräfte (vdW) gebildet werden. Daher bezeichnen wir sie als Weniglagen-Nano-Graphen. Weniglagen-Nano-Graphen kann unter Bestrahlung mit einer 254-nm-UV-Lampe (3 W) in Monolagen-Nano-Graphen exfoliiert werden. Abb. 1b–d zeigen die Morphologie von Weniglagen-Nano-Graphen nach 30 s, 50 s und 240 s UV-Exposition. Die Größe ändert sich nach kurzer UV-Exposition kaum. Die Höhenverteilung für Nano-Graphen unter verschiedenen UV-Expositionszeiten zeigt jedoch deutlich, dass die Höhe von Weniglagen-Nano-Graphen von > 2,5 nm auf < 1,0 nm nach wenigen Minuten UV-Exposition abnimmt, was darauf hindeutet, dass das Weniglagen-Nano-Graphen in Monolagen exfoliiert wurde.

AFM-Bilder von Weniglagen-Nano-Graphen mit verschiedenen UV-Expositionszeiten a–d: 0, 30 s, 50 s, 240 s, Einlage: Höhenverteilung des Nano-Graphens

Abb. 2a zeigt ein HRTEM-Bild von Monolagen-Nano-Graphen, das durch UV-Bestrahlung hergestellt wurde. Das Kristallgitter des Nano-Graphens ist deutlich zu erkennen. Die Schnelle Fourier-Transformation (FFT) des ausgewählten Bereichs ist im Inset von Abb. 2a dargestellt und spiegelt die hexagonale Kristallstruktur wider. Der ebene Gitterabstand beträgt 0,219 nm, was mit dem Gitter der [001]-Ebene [20] übereinstimmt.

a HRTEM-Bilder von Nano-Graphen. Einlage: FFT-Bild eines ausgewählten Bereichs. b HRTEM und c Linienprofil des ausgewählten Nano-Graphens

Wie von Lee et al. [21] berichtet, binden Wasserstoffatome an die Graphenoberfläche und üben eine Out-of-Plane-Kraft auf Kohlenstoffatome aus. Diese Kraft verändert die Konfiguration der Kohlenstoffatome im Graphen und kann die vdW-Kraft zwischen verschiedenen Graphenschichten zerstören. Daher werden die gestapelten Graphenschichten unter der Wirkung der Wasserstoffbindung in eine Einzelschicht exfoliiert. Laut Literatur kann die Ramanspektroskopie von Graphen wichtige Informationen zur planaren Hydrierung in Graphen liefern [21, 22]. Das Intensitätsverhältnis zwischen D- und G-Band (I_D/I_G) der Ramanstreuung kann reflektieren, wie Wasserstoffatome an das Graphen gebunden sind. Um den Exfoliationsmechanismus zu untersuchen, wurden die Ramanspektren von Weniglagen-Nano-Graphen unter verschiedenen UV-Expositionszeiten gemessen. Die Ergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt. Die Ramanspektren wurden mit dem Lorenz-Modell angepasst, um das Spitzenintensitätsverhältnis genau zu berechnen. Die Daten zeigen, dass I_D/I_G von 1,21 auf 1,43 ansteigt, was die Anwesenheit von gebundenem Wasserstoff auf der Weniglagen-Nano-Graphen-Oberfläche nach UV-Exposition anzeigt. C-Atome bewegen sich in Out-of-Plane-Richtung und führen zum Bruch der vdW-Kraft zwischen den Graphenschichten [21]. Wie in Schema 1 dargestellt, können Wasserstoffatome an der Oberfläche von Weniglagen-Nano-Graphen binden und die durch die Umordnung der C-Atome induzierte Out-of-Plane-Kraft kann das Weniglagen-Nano-Graphen in Monolagen-Nano-Graphen exfoliieren.

Ramanspektren von Weniglagen-Nano-Graphen unter verschiedenen UV-Expositionszeiten

Die Oberfläche von Graphenoxid ist generell reich an sauerstoffhaltigen Funktionsgruppen wie -COOH, C-OH, C-O-C usw. Diese Gruppen führen Defektzustände ein, die wichtige Quellen der Graphenoxid-Lumineszenz sind. Daher ist es sehr wichtig, die Veränderungen der Funktionsgruppen des Nano-Graphens während der UV-Bestrahlung zu untersuchen. Infrarotabsorption ist eine sehr effektive Methode zur Untersuchung chemischer Funktionsgruppenänderungen. Der Exfoliationsmechanismus kann durch Messung der Änderungen in den Infrarotabsorptionsspektren des unter UV-Licht bestrahlten Nano-Graphens tiefer verstanden werden. Abb. 4 zeigt die Fourier-transformierten Infrarot (FTIR)-Spektren von Weniglagen-Nano-Graphen unter verschiedenen UV-Bestrahlungszeiten. Für das Weniglagen-Nano-Graphen werden Schwingungsmoden für Epoxide (C-O-C, 900–1260 cm⁻¹) gezeigt. Der Absorptionspeak bei 1740 cm⁻¹ und 3129 cm⁻¹ entspricht der Streckungsschwingung von Kohlenstoff-gebundenem Carboxyl (-COOH). Die Absorption bei 2850 cm^-1 und 2920 cm⁻¹ zeigt die Existenz von C-H. Die breitbandige Absorption (3100–3700 cm⁻¹) mit Maximum bei 3450 cm⁻¹ wird Hydroxylgruppen (-C-OH) zugeschrieben. Die C=C-Absorption der intrinsischen sp²-Domäne bei 1641 cm⁻¹ ist ebenfalls vorhanden. Nach kurzer UV-Bestrahlung (240 s) änderten sich die Peaks der Epoxidgruppe, Hydroxylgruppe, Carboxylgruppe und C=C nicht signifikant. Der Absorptionspeak von C-H wird jedoch deutlicher. Dies stimmt mit dem Ergebnis aus der Ramanspektroskopie überein, wonach sich Wasserstoffatome an Kohlenstoffatome binden und die C-H-Absorption verstärken. Es zeigt auch, dass kurzzeitige UV-Bestrahlung nicht zur Reduktion von Nano-Graphen führt und die Sauerstofffunktionsgruppen im Nano-Graphen während des Exfoliationsprozesses nicht verändert werden.

FTIR von (a) Weniglagen-Nano-Graphen (schwarze Linie), Monolagen-Nano-Graphen (rote Linie), und (b) epitaxialem Nano-Graphen

Andererseits ändern sich die FTIR-Spektren des Nano-Graphens nach längerer UV-Bestrahlung (2 h) signifikant (Abb. 4b). Die erste Änderung ist, dass die Absorption von -COOH bei 3150 cm⁻¹ stark abnimmt. Gleichzeitig tritt neue C-O-C-Absorption auf und überlagert sich mit der vorherigen C-O-C-Absorption, was zu ausgedehnter C-O-C-Absorption führt. Zweitens verschiebt sich die Absorption von C=O von 1740 cm⁻¹ in Richtung niedrigerer Wellenzahlen (1720 cm⁻¹). Dies ist auf die Zunahme des konjugierten Systems zurückzuführen. Die dritte wesentliche Änderung ist das Auftreten eines neuen C=C-In-Plane-Absorptionspeaks bei 1562 cm⁻¹. Dies liegt daran, dass der Photoreduktionsprozess von GO Deoxygenierung induzieren und die sp²-Domäne wiederherstellen kann [16, 23, 24]. Schließlich wird eine weitere Verstärkung der C-H-Absorption beobachtet, da mehr Wasserstoffatome mit Kohlenstoffatomen kombinieren.

Um den Einfluss von Schichtänderungen auf die optischen Eigenschaften zu untersuchen, maßen wir die stationäre Fluoreszenz von Nano-Graphen unter verschiedenen UV-Expositionszeiten. Abb. 5a zeigt die PL-Spektren von Nano-Graphen unter verschiedenen UV-Bestrahlungszeiten. Das als-hergestellte Weniglagen-Nano-Graphen emittiert reines Deep-UV-Licht mit Peak bei 307 nm, und die Intensität nimmt mit zunehmender UV-Bestrahlungszeit rapide ab. Gleichzeitig nimmt die PL-Intensität bei 500 nm zu. Die Kurven in Abb. 5b stellen den Zusammenhang zwischen UV-Bestrahlungszeiten und der PL-Intensität bei 307 nm und 500 nm dar. Mit zunehmender UV-Bestrahlungszeit verschwindet die 307-nm-Emission fast vollständig, und die 500-nm-Sichtlichtemission dominiert das PL-Spektrum während des Exfoliationsprozesses.

Stationäre PL-Spektren von Weniglagen-Nano-Graphen mit verschiedenen UV-Expositionszeiten, angeregt bei 270 nm

Die Fluoreszenz von Graphen wurde systematisch untersucht. Der Ursprung der Lumineszenz wird hauptsächlich auf eigenzustandsinduzierte Fluoreszenz zurückgeführt, die durch die sp²-Domäne (302–380 nm) und sp³-Defektlumineszenz, verursacht durch sauerstoffhaltige Funktionsgruppen [19, 25-27], verursacht wird. Für das Weniglagen-Nano-Graphen bildet sich aufgrund des Stapelns von Weniglagen-Nano-Graphen eine vdW-Heterostruktur. Die vdW-Heterostruktur zeigt hohe Ladungstrennung. Das angeregte Elektron in Oberflächen-Defektzuständen, induziert durch Sauerstofffunktionsgruppen, würde in intrinsische Zustände übertragen, die durch die C=C-sp²-Domäne induziert werden, aufgrund der stapelinduzierten Bandverbiegung. Das Weniglagen-Nano-Graphen emittiert reines UV-Licht. Wir ordnen die Lumineszenz mit Peak bei 307 nm der Fluoreszenz des Eigenzustands der sp²-Domäne zu. Der sichtbare Bereich (Peak bei 500 nm) stammt von der Lumineszenz der Defektzustände, wie in der Literatur berichtet [19, 25]. Es ist klar, dass die Fluoreszenz des Eigenzustands der sp²-Domäne allmählich verschwindet, während das Nano-Graphen in Monolagen exfoliiert wird, und wir glauben, dass die Dickenänderung des Nano-Graphens der Hauptgrund für die Fluoreszenzänderung ist.

Für eine klarere, intuitive Darstellung der Veränderung der Graphenoxid-Funktionsgruppen während des Reduktionsprozesses maßen wir die stationäre Fluoreszenz während des Reduktionsprozesses (Abb. 6). Die Fluoreszenz des sichtbaren Bereichs des Nano-Graphens stammt von Oberflächen-Defekten, verursacht durch sauerstoffhaltige Funktionsgruppen. Verschiedene Funktionsgruppen verursachen unterschiedliche Tiefen der Defektzustände, was auch zu unterschiedlichen Fluoreszenzemissionen führt [26, 27]. Konkena et al. untersuchten detailliert den Zusammenhang zwischen Funktionsgruppen und Fluoreszenz. Die Fluoreszenz unseres Nano-Graphens bei 500 nm stammt von der deprotonierten Carboxylgruppe. Wie in Abb. 6 gezeigt, führt eine Erhöhung der UV-Expositionszeit zu einem allmählichen Abfall der PL-Intensität bei 500 nm und der Emissionspeak verschiebt sich nach 2 h UV-Exposition von 500 nm auf ca. 475 nm. Die Entwicklung der Spektren im sichtbaren Bereich ähnelt der im chemischen Reduktionsprozess von Graphen [16, 28]. Die charakteristische Emission bei 500 nm ist das Symbol für Carboxylgruppen in ihrem Deprotonierungszustand. Die blaue (475 nm) Emission stammt von dissoziierten Carboxylgruppen [28]. Mit zunehmender UV-Bestrahlungszeit wurden die Carboxylgruppen dissoziiert, was mit dem Verschwinden der IR-Absorption von C=O bei 1730 cm⁻¹ (Abb. 4) übereinstimmt. Daher zeigen die PL-Spektren einen Abfall und Blauverschiebung in der sichtbaren Emission.

Stationäre PL von Monolagen-Nano-Graphen nach verschiedenen UV-Expositionsperioden

Begleitet von der sichtbaren Emissionsänderung zeigt sich ein überraschendes Phänomen: UV-Emission mit Zentrum bei 326 nm und einer Schulter bei 360 nm, die mit der Reduktionszeit zunimmt. Die Reduktion von Graphenoxid wird üblicherweise von der Bildung einer neuen sp²-Domäne begleitet [29]. Wir spekulieren, dass dies auf die Aggregation von Nano-Graphen zurückzuführen sein könnte, die eine Zunahme der UV-Fluoreszenz verursacht.

Um die Veränderungen der physikalischen Struktur von Nano-Graphen nach längerer UV-Bestrahlung weiter zu untersuchen, maßen wir die Morphologie von rGO mittels AFM. Wie in Abb. 7 dargestellt, wurden nach 2 h UV-Exposition viele großflächige Nanoblätter beobachtet. Die Größenverteilung von rGO ist viel breiter (300–750 nm) im Vergleich zu der des as-hergestellten Nano-Graphens. Die Größenzunahme kann auf die horizontale Aggregation von Monolagen-Nano-Graphen zurückgeführt werden. Das vergrößerte AFM-Bild zeigt deutlich, dass die größeren Nanoblätter von vielen kleinen Nano-Graphen-Schichten mit durchschnittlicher Höhe von 0,7 nm umgeben sind. Nach dem Deoxygenierungsprozess sind die O-Atome an der Kante des Nano-Graphens aktiv und können mit den Kanten-C-Atomen eines anderen Nano-Graphens binden, um neue Epoxide zu bilden. Wie in Schema 1 dargestellt, nimmt mit zunehmender Reduktion die Anzahl der aktivierten Nano-Graphen zu und die Größe würde weiter zunehmen. In Anbetracht dessen, dass die UV-Licht-emittierende Portion mit zunehmender UV-Bestrahlungszeit verstärkt wird, glauben wir, dass die UV-Lumineszenz bei 326 nm von der Aggregation des Nano-Graphens herrührt. Mit zunehmender Anzahl der Agglomerate nimmt auch die Intensität der UV-Fluoreszenz zu. Das Monolagen-Nano-Graphen ist stabil und es wurde kein Niederschlag beobachtet, selbst nach 2 h UV-Bestrahlung (Abb. 7).

AFM von Monolagen-Nano-Graphen unter übermäßiger UV-Exposition, Einlage: digitale Fotos von aggregiertem rGO

Da die Intensität direkt mit der Aggregation zusammenhängt, untersuchen wir die Aggregationsdynamik von Nano-Graphen durch Analyse der PL im UV-Bereich. Die UV-Expositionszeit wurde für die Konzentration des aneinander gebundenen Nano-Graphens normiert. Abb. 8 stellt die Korrelation zwischen Konzentration und UV-Intensität dar. Die experimentellen Daten wurden mit dem Langmuir-Adsorptionsisothermen-Modell angepasst. Mit zunehmender UV-Expositionszeit nimmt auch die Anzahl der aggregierten Nano-Graphen sowie die Größe zu. Die Anzahl der adsorbierten Nano-Graphen kann als N ausgedrückt werden und die Langmuir-Adsorptionsisotherme kann als

$$ N=\frac{N_0k{(nx)}^{\left(1-c\right)}}{1+k{(nx)}^{\left(1-c\right)}} $$ (1)

UV-PL-Intensität vs. normierte Konzentration

Hier ist N₀ die initiale UV-Intensität. Die zugehörige Gleichgewichtskonstante k kann durch Anpassen der experimentellen Daten erhalten werden. Für ein System im chemischen Gleichgewicht ist die Gibbs-Energie gegeben durch

$$ \Delta G=- RT1\mathrm{n}(k) $$ (2)

Wenden wir k auf Gl. 2 an, erhalten wir die Gibbs-Energie ∆G ≈ − 4,43 kJ/mol. ∆G < 0 zeigt an, dass diese Reaktion bei Raumtemperatur thermodynamisch begünstigt ist [30]. Daher können sich mehrere Nano-Graphen horizontal verbinden, um großflächige Agglomerate zu bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass großflächiges Graphen, das via CVD hergestellt wird, eine feine sp²-Struktur besitzt, aber kaum Funktionsgruppen für spektrale Selektivität enthält. Unsere UV-induzierte Nano-Graphen-Aggregation könnte verschiedene Funktionsgruppen enthalten, die einzigartige optische Eigenschaften haben und als Identifikationsstellen für selektive Detektion verwendet werden können.

Um den Einfluss von Lösungsmitteln auf die Struktur von Nano-Graphen zu untersuchen, bereiteten wir Nano-Graphen in aprotischem Lösungsmittel DMF und protischem Lösungsmittel H₂O zu. Abb. 9 zeigt die PL und AFM von Nano-Graphen, das in DMF und H₂O hergestellt wurde. Die PL von Nano-Graphen in DMF zeigt Deep-UV-Emission, die vom Stapeln der Nano-Graphen-Schichten herrührt. Es gibt nur eine geringe Änderung, selbst nach 115-minütiger UV-Bestrahlung. Dies deutet darauf hin, dass auch nach längerer UV-Exposition keine Exfoliation oder Aggregation stattfindet. Die Höhenverteilung von Nano-Graphen in DMF ist in Abb. 9b dargestellt. Die durchschnittliche Höhe beträgt > 15 nm. Die PL von Nano-Graphen in H₂O ist bei ~ 475 nm zentriert (Abb. 9c). Es gibt UV-Emission und Peakverschiebung unter verschiedenen UV-Bestrahlungszeiten. Diese sichtbare Emission des Nano-Graphens wird auf sauerstofffunktionsgruppeninduzierte Defektzustände zurückgeführt. Die Höhe von Nano-Graphen in H₂O beträgt < 1,0 nm (Abb. 9d), was darauf hindeutet, dass das Nano-Graphen in H₂O Monolagen sind. Die obigen Ergebnisse zeigen, dass das Stapeln von Nano-Graphen durch Verwendung verschiedener Lösungsmittel kontrolliert werden kann.

PL- und AFM-Bilder von Nano-Graphen in DMF (a, b) und H₂O (c, d)

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir entdeckt, dass Weniglagen-Nano-Graphen aufgrund gebundener H-Atome auf der Oberfläche unter kurzzeitiger Deep-UV-Bestrahlung in protischer Lösung in Monolagen-Nano-Graphen exfoliiert werden kann. Das Monolagen-Nano-Graphen kann unter übermäßiger UV-Bestrahlung in großflächiges Monolagen-rGO aggregieren. Die AFM-Ergebnisse zeigen eindeutig, dass großflächiges Monolagen-rGO durch Aggregation mehrerer kleiner Nano-Graphen-Schichten gebildet wird. Die Aggregation kleiner Nano-Graphen stimmt mit dem Langmuir-Adsorptionsisothermen-Modell überein, was darauf hindeutet, dass die Kante des Nano-Graphens aktiviert werden kann und sich mit anderen Nano-Graphen verbinden kann. Diese UV-induzierte Wachstumsmethode könnte die kostengünstige, großflächige Fertigung von Monolagen-Graphen in der Zukunft fördern.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

CVD:

Chemische Gasphasenabscheidung

FTIR:

Fourier-transformierte Infrarotspektroskopie

GO:

Graphenoxid

PL:

Photolumineszenz

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop