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

摘要

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： ①Cu2O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。 ②Cu2O/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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