[發明專利]石墨烯與半導體納米顆粒復合體系及其合成方法

無效

• 申請號: 200910035780.2
• 申請日: 2009-10-14
• 公開（公告）號: CN101696002A
• 公開（公告）日: 2010-04-21
• 發明（設計）人: 耿秀梅;劉立偉;牛亮;邢振遠;宋仁升;李偉偉;榮吉贊;程國勝
• 申請（專利權）人: 蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: C01B31/00
• 分類號: C01B31/00;C01B31/02
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 陳忠輝

技術領域

本發明涉及一種半導體納米材料的復合體系及其合成方法，尤其涉及一種比表面積大且電學和熱學性能優異的石墨烯與光敏特性佳的半導體納米顆粒復合一體的納米材料及其合成方法，屬于半導體材料制備技術領域。

背景技術

石墨烯(Graphene)是由單層碳原子構成的準二維的碳納米結構材料，具有大的比表面積和優異的電學和熱學性能。Graphene的遷移率高可超過10⁴cm²/V·s，有希望在將來的高速納米電子器件、生物化學傳感器等方面得到應用。但由于它的零帶隙半導體能帶結構和單原子層厚度限制了它的光電性能，單層石墨烯，對可見光幾乎是透明的，僅有極小的光電導。所以，改善碳納米管、石墨烯的光電性能是一個需要解決的問題。

半導體納米晶體，也被稱作納米顆粒，是引起人們極大研究興趣的另一個納米材料。它的尺寸分布在幾納米到幾十納米范圍。半導體納米顆粒在生物熒光標記、電致發光、光電器件方面具有重要潛在應用。半導體納米顆粒具有分立的電子能級和尺寸依賴的能級間距和帶隙，因此具有良好的光學性質。CdSe，PbSe等小帶隙的半導體納米顆粒發現激子倍增現象，有望在高效太陽能電池方面得到應用。半導體納米顆粒是由無機半導體的芯和有機配體的外殼組成，包覆的有機物配體在納米顆粒合成和存放中起到防止團聚和穩定作用。但這些絕緣有機配體的存在，大大降低了納米晶體之間的耦合，并導致半導體納米顆粒組裝體系中存在大量的無序，如果在能量上無序超過了耦合，整個體系將處在類似Anderson-Mott絕緣體狀態。因此，半導體納米顆粒具有極低電導率和光電導，這嚴重限制了納米顆粒在光電方面應用。半導體納米顆粒用到太陽能光伏器件已成為一個重要研究方向，因此，改善半導體納米顆粒體系的電導率對它們在光電轉化方面的應用具有重要意義。

碳納米管、石墨烯和半導體納米顆粒的一個共同優勢是易于制作成面積較大薄膜和器件。在碳納米管薄膜中，定向組裝的碳納米管薄膜引起人們的極大關注，由于定向性、高密度可制成高性能、均一性好的器件。在化學氣相沉積(CVD)合成碳納米管過程中，利用控制氣流、溫度梯度、電場引導和采用單晶石英襯底已經能夠生成定向的碳納米管陣列。最近，Graphene的大量制備也取得了一些重要進展，化學還原的氧化石墨可以通過靜電作用穩定分散在水溶液中。直接用CVD方法合成單層和若干層的Graphene透明導電薄膜也已經獲得進展。這些進展為實現基于定向碳納米管、石墨烯的復合體系提供了可能。

由于半導體納米顆粒的光敏特性，以及碳納米材料提供導電逾滲通路和提高遷移率，碳納米材料和半導體納米顆粒復合體系材料引起人們強烈的興趣。共價連接需要對碳納米管進行氧化處理，導致了碳納米管sp²結構的破壞，會嚴重降低碳納米管的導電性。

目前國內外納米顆粒和碳納米管非共價復合的工作還僅限于合成、結構和光學性能表征等初步階段。如何設計和合成碳納米材料和半導體納米顆粒非共價復合、制造新型高轉化效率光電器件、以及應用到光伏器件中等很多問題尚未解決。定向組裝碳納米管和納米晶體非共價復合體系還沒開展。水溶液分散的化學還原的Graphene和CVD制備Graphene最近才有所突破，Graphene和半導體納米顆粒非共價復合體系制備尚無進展。實現Graphene與半導體納米顆粒復合體系還存在要解決兩者在溶液中互溶和相互作用的問題。如何改善碳納米材料和半導體納米顆粒的界面幾何接觸和能量匹配以便能提供更有效的電荷遷移還有待研究。實現場效應調制碳納米材料對于控制碳納米材料中的載流子濃度，載流子類型等問題也都有待解決。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種石墨烯與半導體納米顆粒復合體系及其合成方法，解決兩者在溶液中互溶和相互作用的問題，改善石墨烯(或碳納米材料)和半導體納米顆粒的界面幾何接觸和能量匹配，以提供更有效的電荷遷移。

本發明的第一個目的，將通過以下技術方案來實現：

石墨烯與半導體納米顆粒復合體系，其特征在于：所述復合體系的構成包括單層或多層的石墨片層及半導體納米顆粒，其中所述石墨片層尺寸介于20nm～600μm，所述半導體納米顆粒的尺寸介于2nm～100nm，石墨片層與半導體納米顆粒結合成共價結構、非共價結構，或者共價與非共價并存結構。

進一步地，前述的石墨烯與半導體納米顆粒復合體系，其中該石墨片層為由石墨粉經化學氧化還原制備的具有羥基或羧基的分散石墨烯，或者是熱膨脹解理插層石墨所得的石墨烯片層，或者是碳源在金屬薄膜催化下高溫分解制成的石墨烯薄膜。