石墨烯-半导体量子点复合体系薄膜制备及光电性能研究取得新进展

低维碳纳米材料的发现或合成，重新引起了人们对碳材料的巨大研究兴趣，加快了纳米材料和技术的发展。自2004年英国Manchester大学A.K.Geim组用力学剥离方法制备出石墨烯(Graphene)材料后，Graphene优异性能被陆续揭示，成为目前室温导电速度最快、力学强度最大、导热能力最强的材料，有望在纳电子学、能源、环境、生物医学等领域得到应用。然而，由于特殊的零带隙线性能带色散关系，Graphene在紫外到近红外光学吸收范围内呈现带间吸收主导的恒定的光电导现象，无共振吸收峰，在光电转化中的性能应用受到限制。半导体量子点（QDs），是另一个引起人们研究兴趣的纳米体系。它在生物荧光标记、电致发光、光电器件方面具有重要应用前景。QDs具有分立的电子能级和尺寸依赖的能级间距和带隙，以及CdSe，PbSe等小带隙QDs呈现激子倍增现象，有望在高效光电转化器件中得到应用。然而，QDs是由无机半导体的芯和绝缘的有机配体外壳组成，有机配体阻碍了QDs之间的耦合，增加了组装体系中的无序，导致半导体QDs体系具有极低电导率和光电导率，限制了QDs在光电方面应用。因此，改善半导体QDs体系的电导率对它们在光电转化方面的应用具有重要意义。

中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究生耿秀梅在导师程国胜、刘立伟研究员指导下，与中科院物理所和国家纳米中心科研人员合作，在石墨烯-半导体量子点复合体系光电转化方面取得了新的进展，成功地完成了新型的石墨烯-半导体量子点非共价复合材料体系材料制备，实现了具有光电转化性能的透明导电薄膜。通过QDs的配体置换，和利用π-π相互作用，解决了两者在水溶液中共溶以及增强了两者间的相互作用等问题，使化学转化的Graphene与CdSe量子点通过吡啶结合在一起(图1）。当用可见光照射时，光电导实验证实了激发的电子从CdSe到石墨烯的迁移。通过增加CdSe量子点的浓度，复合体系暗电导逐渐降低，光敏性能逐渐增强。由于石墨烯的引入，复合体系薄膜的光电导率，与纯量子点体系的薄膜相比，获得十个数量级的增加（图2）。该项研究对改善半导体量子点体系的电导率，制作柔性大面积石墨烯-半导体量子点复合体系薄膜及其光电转化应用具有指导意义。

相关成果在Advanced Materials 22，638（2010）上发表。这篇论文2009年11月在Advanced Materials网络版发表后，即被该刊物评为2009年12月份访问量最高的前5篇论文之一。已申请中国专利1项。

上述研究工作得到国家自然科学基金委、苏州市科技发展计划项目资助。

图1. 石墨烯-量子点非共价复合体系形成示意图

图2.石墨烯-量子点复合体系薄膜以及光电性能。(a)石墨烯柔性透明薄膜。(b)石墨烯-量子点复合体系薄膜。(c)石墨烯-量子点复合体系薄膜器件。(d)石墨烯、量子点以及复合体系光吸收。(e)石墨烯-量子点复合体系薄膜透过率。(f)石墨烯-量子点复合体系薄膜光电响应。