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本項(xiàng)目制備出石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)光電極，并通過(guò)SEM，TEM，Raman等手段對(duì)光電極進(jìn)行了表征，通過(guò)XPS分析了光電極的表面成分，通過(guò)SPV，IV測(cè)試研究了光電極的光電化學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)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(xiàng)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(dǎo)體材料，具有比表面積大，電子遷移率高，透明性好等特點(diǎn)，可作為透明電極使用。當(dāng)石墨烯與光響應(yīng)材料結(jié)合成異質(zhì)結(jié)后，入射光可以透過(guò)石墨烯薄膜激發(fā)底層光響應(yīng)材料產(chǎn)生光致空穴-電子對(duì)，電子和空穴在異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下反向移動(dòng)。由于石墨烯電子遷移率高，被內(nèi)建電場(chǎng)分離的電子到達(dá)石墨烯后迅速遷移，實(shí)現(xiàn)提高光響應(yīng)材料的光電轉(zhuǎn)化效率。
目前報(bào)道的石墨烯/硅復(fù)合材料的制備方法的缺點(diǎn)石墨烯與基底的結(jié)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(fù)合材料的光電轉(zhuǎn)化能力經(jīng)常會(huì)被破壞，很難在水溶液中使用
項(xiàng)目通過(guò)電泳沉積法制備了石墨烯/硅光電極。通過(guò)煅燒過(guò)程光電極，石墨烯薄膜與硅基底之間形成Si-C化學(xué)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(yáng)能制氫領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)石墨烯及光電極的制備條件進(jìn)行了探索。最終，我們通過(guò)高溫裂解石墨氧化物的方法制備了石墨烯，通過(guò)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(guò)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(guò)拉曼光譜(Raman)對(duì)光電極進(jìn)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(dǎo)體厚度對(duì)異質(zhì)結(jié)光轉(zhuǎn)換性能影響較大。我們通過(guò)改變電泳時(shí)間調(diào)控石墨烯層厚度，通過(guò)表面光電壓譜(SPV)測(cè)試了樣品的表面光相應(yīng)。測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)電泳時(shí)間為10s時(shí)，光電極的光相應(yīng)能力最好。
煅燒過(guò)程是提高光電極機(jī)械及化學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵步驟，我們對(duì)煅燒溫度進(jìn)行了探索，分別測(cè)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(cè)試結(jié)果表明：隨著煅燒溫度的升高至400℃，光電極的光電流強(qiáng)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(yīng)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(guò)400℃煅燒后，石墨烯與硅基底行程Si-C化學(xué)鍵，增強(qiáng)了二者的結(jié)合牢度；但光電極經(jīng)過(guò)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(yīng)能力被破壞。
最后我們通過(guò)線性伏安法研究了光電極的光相應(yīng)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(qiáng)的電流響應(yīng)。這種增強(qiáng)可以歸因于石墨烯的高電子遷移率及硅/石墨烯異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有效的光致電荷分離。
這一成果利用石墨烯作為保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)了硅作為光轉(zhuǎn)換材料在水溶液中的使用，使在太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的硅材料有望應(yīng)用于光解水產(chǎn)氫和光催化降解污染物等領(lǐng)域。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎(jiǎng)
1.作品獲第十屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽“特等獎(jiǎng)”。
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(xiàng)目負(fù)責(zé)人為第一作者）