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本項目制備出石墨烯/硅異質(zhì)結光電極，并通過SEM，TEM，Raman等手段對光電極進行了表征，通過XPS分析了光電極的表面成分，通過SPV，IV測試研究了光電極的光電化學性質(zhì)。研究結果表面：制備的石墨烯/硅光電極能夠在水溶液中使用，光電流顯著高于硅片，而且非常穩(wěn)定。
項目成果以研究型論文的形式，于2011年在期刊Applied Surface Science上發(fā)表。

石墨烯是一種零禁帶半導體材料，具有比表面積大，電子遷移率高，透明性好等特點，可作為透明電極使用。當石墨烯與光響應材料結合成異質(zhì)結后，入射光可以透過石墨烯薄膜激發(fā)底層光響應材料產(chǎn)生光致空穴-電子對，電子和空穴在異質(zhì)結內(nèi)建電場的作用下反向移動。由于石墨烯電子遷移率高，被內(nèi)建電場分離的電子到達石墨烯后迅速遷移，實現(xiàn)提高光響應材料的光電轉(zhuǎn)化效率。
目前報道的石墨烯/硅復合材料的制備方法的缺點石墨烯與基底的結合不牢固。在溶液環(huán)境中，由于水的沖擊作用，石墨烯薄膜很容易脫落，復合材料的光電轉(zhuǎn)化能力經(jīng)常會被破壞，很難在水溶液中使用
項目通過電泳沉積法制備了石墨烯/硅光電極。通過煅燒過程光電極，石墨烯薄膜與硅基底之間形成Si-C化學鍵，提高了光電極在水溶液中的穩(wěn)定性及光電轉(zhuǎn)化能力。因此，制備的光電極在光催化降解污染物及太陽能制氫領域有潛在的應用價值。
實驗中，我們對石墨烯及光電極的制備條件進行了探索。最終，我們通過高溫裂解石墨氧化物的方法制備了石墨烯，通過電泳沉積法制備了光電極，最后光電極在400℃下被煅燒即得到成品。
我們通過透射電子顯微鏡(TEM)，掃面電子顯微鏡(SEM)觀察了石墨烯的形貌：TEM表明，制備的石墨烯呈薄片狀，邊緣有很多褶皺，有明顯的石墨烯特征；SEM表明，石墨烯完全覆蓋在硅基底表面。我們通過拉曼光譜(Raman)對光電極進行了表征，譜圖上清晰地呈現(xiàn)了硅基底的特征峰以及石墨烯的G峰，D峰2D峰等特征峰。
上層半導體厚度對異質(zhì)結光轉(zhuǎn)換性能影響較大。我們通過改變電泳時間調(diào)控石墨烯層厚度，通過表面光電壓譜(SPV)測試了樣品的表面光相應。測試結果表明：當電泳時間為10s時，光電極的光相應能力最好。
煅燒過程是提高光電極機械及化學穩(wěn)定性的關鍵步驟，我們對煅燒溫度進行了探索，分別測試了不煅燒及煅燒250℃，300℃，350℃，400℃，450℃條件下，光電極在稀硫酸溶液中循環(huán)伏安曲線。測試結果表明：隨著煅燒溫度的升高至400℃，光電極的光電流強度及電流穩(wěn)定性均有所提高；但在煅燒溫度為450℃條件下，電極的光相應能力被破壞。
X射線光電子能譜分析(XPS)解釋了上述現(xiàn)象的原因，光電極經(jīng)過400℃煅燒后，石墨烯與硅基底行程Si-C化學鍵，增強了二者的結合牢度；但光電極經(jīng)過450℃煅燒后，硅基底表面形成了一層SiO2，阻斷了石墨烯與基底間的電子轉(zhuǎn)移，因此電極的光相應能力被破壞。
最后我們通過線性伏安法研究了光電極的光相應能力：與硅基底相比，光電極在暗態(tài)和光照態(tài)下均有更強的電流響應。這種增強可以歸因于石墨烯的高電子遷移率及硅/石墨烯異質(zhì)結結構有效的光致電荷分離。
這一成果利用石墨烯作為保護層，實現(xiàn)了硅作為光轉(zhuǎn)換材料在水溶液中的使用，使在太陽能光伏領域得到廣泛應用的硅材料有望應用于光解水產(chǎn)氫和光催化降解污染物等領域。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎
1.作品獲第十屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽“特等獎”。
2.文章于2011年在Applied Surface Science（SCI，IF=1.616）上發(fā)表。
檢索：Applied Surface Science 257 (2011) 7714–7718（項目負責人為第一作者）