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Apr 29, 2024

Otimização da redução do bandgap em 2

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 6954 (2023) Cite este artigo 688 Detalhes das métricas de acesso Neste relatório desenvolvemos diferentes parâmetros de fabricação para adaptar o bandgap óptico

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 6954 (2023) Citar este artigo

688 Acessos

Detalhes das métricas

Neste relatório, desenvolvemos diferentes parâmetros de fabricação para adaptar o bandgap óptico de nanofolhas de óxido de grafeno (GO) para torná-lo candidato operacional na indústria eletrônica. Aqui realizamos duas maneiras de reduzir o bandgap das nanofolhas GO. Primeiro, otimizamos o nível de oxidação do GO reduzindo a quantidade de agente oxidante (ou seja, KMnO4) para controlar a razão de hibridização sp2/sp3 para uma série de amostras de nanofolhas de GO. Notamos a redução na borda da banda primária 3,93–3,2 eV, enquanto a borda da banda secundária 2,98–2,2 eV de nanofolhas GO à medida que a quantidade de KMnO4 diminui de 100 para 30%. Em segundo lugar, fabricamos uma série de amostras de nanocompósitos bidimensionais contendo GO / óxido de ferro usando um novo método de impregnação úmida de processo de síntese. A análise de XRD dos nanocompósitos sintetizados confirmou a presença de ambas as fases, \(\alpha\)-Fe2O3 e Fe3O4 de óxido de ferro com plano proeminente (001) de GO. A investigação morfológica descarta todas as possibilidades de aglomerações de nanopartículas de óxido de ferro e coagulação de nanofolhas de GO. O mapeamento elementar endossou a distribuição homogênea de nanopartículas de óxido de ferro em todas as nanofolhas GO. A espectroscopia Raman confirmou a relação ID / IG bastante constante e FWHM dos picos D e G, comprovando assim o fato de que o processo de síntese de nanocompósitos não tem efeito no grau de oxidação dos flocos GO. O desvio para o vermelho na posição do pico G de todas as amostras de nanocompósitos mostrou a interação eletrônica entre os constituintes do nanocompósito. A diminuição linear na intensidade dos espectros de PL (fotoluminescência) com o aumento das nanopartículas de óxido de ferro aponta para o aumento da interação entre as nanopartículas de óxido de ferro e os flocos GO. A espectroscopia de absorção óptica revela a diminuição linear na borda primária do bandgap de 2,8 para 0,99 eV, enquanto a borda secundária diminui 3,93–2,2 eV à medida que a carga de nanopartículas \(\alpha\)-Fe2O3 é aumentada de 0 a 5% em nanofolhas GO. Entre essas amostras de nanocompósitos, a amostra de nanofolha de 5% de óxido de ferro / 95% de GO pode ser um bom concorrente para dispositivos eletrônicos.

O grafeno em sua forma de monocamada é um material com banda zero com ligação sp2-sp2 entre átomos de carbono. Para sua utilização em dispositivos semicondutores, seu bandgap deve ser aberto pela funcionalização do oxigênio na formação do óxido de grafeno (GO). Esta funcionalização do oxigênio resulta em ligações sp3-sp3 entre átomos e propriedades quase isolantes com um bandgap muito alto. Para reduzir esse bandgap, é mais importante controlar a quantidade de relação oxigênio/carbono (O/C) sem reduzir GO em GO reduzido (conhecido como r-GO). Uma relação linear entre a concentração de oxigênio e o bandgap do GO é observada teoricamente com o aumento linear do bandgap com o aumento da razão oxigênio-carbono . Este aumento no bandgap é observado devido à localização dos estados eletrônicos e à ligação fraca entre os átomos C – C. Esta ligação fraca resulta da interação entre o orbital π do grafeno e o orbital 2pz do oxigênio do grupo epóxi. Com o aumento da relação O/C em até ou mais de 50% no GO, o bandgap também transita de direto para indireto . A configuração de empilhamento das camadas GO também tem efeito no bandgap, sendo o empilhamento AA mais adequado que o AB devido ao afrouxamento de estados desocupados próximos ao nível fermi . Seu baixo custo e método de produção em larga escala o tornam favorável para aplicações em dispositivos eletrônicos. Mas o bandgap óptico do GO é muito maior do que o necessário para operar como semicondutor em dispositivos eletrônicos.

A fabricação de aerogéis GO com estruturas ordenadas (por exemplo, radiais e centrosimétricas) usando o método de congelamento por congelamento foi demonstrada por Wang et al.6,7. Os desenvolvimentos recentes na impressão 3D de materiais à base de grafeno e seus derivados e o possível potencial de suas aplicações para baterias, supercapacitores, geradores de vapor solar e conversão eletrotérmica são revistos de forma abrangente8. Usando a técnica de aquecimento rápido, Chen et al.9 produziram filmes GO uniformes, expandidos e reduzidos de uma espessura desejada a uma determinada altura pelo uso de uma barreira física, seguida de compressão para criar um material denso semelhante a papel com baixo teor de oxigênio. conteúdo e um maior teor de hibridização de carbono sp2 que fornece uma rota para a fabricação de folhas “grafênicas” de diferentes espessuras que provavelmente serão úteis para muitas aplicações.