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Apr 29, 2024

Optimisation de la réduction de la bande interdite en 2

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 6954 (2023) Citer cet article 688 Accès aux détails des métriques Dans ce rapport, nous avons développé différents paramètres de fabrication pour adapter la bande interdite optique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6954 (2023) Citer cet article

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Dans ce rapport, nous avons développé différents paramètres de fabrication pour adapter la bande interdite optique des nanofeuilles d'oxyde de graphène (GO) afin d'en faire un candidat opérationnel dans l'industrie électronique. Ici, nous avons appliqué deux méthodes pour réduire la bande interdite des nanofeuilles GO. Premièrement, nous avons optimisé le niveau d'oxydation de GO en réduisant la quantité d'agent oxydant (c'est-à-dire KMnO4) afin de contrôler le rapport d'hybridation sp2/sp3 pour une série d'échantillons de nanofeuilles GO. Nous avons remarqué la réduction du bord de la bande primaire de 3,93 à 3,2 eV tandis que le bord de la bande secondaire de 2,98 à 2,2 eV des nanofeuilles GO à mesure que la quantité de KMnO4 diminue de 100 à 30 %. Deuxièmement, nous avons fabriqué une série d’échantillons de nanocomposites bidimensionnels contenant du GO/oxyde de fer en utilisant une nouvelle méthode d’imprégnation humide de processus de synthèse. L'analyse XRD de nanocomposites synthétisés a confirmé la présence des deux phases, \(\alpha\)-Fe2O3 et Fe3O4 d'oxyde de fer avec le plan proéminent (001) de GO. L'enquête morphologique exclut toutes les possibilités d'agglomérations de nanoparticules d'oxyde de fer et de coagulation de nanofeuillets GO. La cartographie élémentaire a confirmé la distribution homogène des nanoparticules d'oxyde de fer dans les nanofeuilles GO. La spectroscopie Raman a confirmé le rapport ID/IG et le FWHM assez constants des pics D et G, prouvant ainsi le fait que le processus de synthèse des nanocomposites n'a aucun effet sur le degré d'oxydation des paillettes GO. Le décalage vers le rouge dans la position du pic G de tous les échantillons de nanocomposites a montré l'interaction électronique entre les constituants du nanocomposite. La diminution linéaire de l'intensité des spectres PL (photoluminescence) avec l'augmentation des nanoparticules d'oxyde de fer indique une interaction accrue entre les nanoparticules d'oxyde de fer et les flocons GO. La spectroscopie d'absorption optique révèle la diminution linéaire du bord primaire de la bande interdite de 2,8 à 0,99 eV, tandis que le bord secondaire diminue de 3,93 à 2,2 eV à mesure que la charge de nanoparticules \(\alpha\)-Fe2O3 augmente de 0 à 5 % dans les nanofeuilles GO. Parmi ces échantillons de nanocomposites, un échantillon de nanofeuilles d'oxyde de fer à 5 % et de 95 % de GO pourrait être un bon concurrent pour les appareils électroniques.

Le graphène sous sa forme monocouche est un matériau à bande interdite nulle avec une liaison sp2 – sp2 entre les atomes de carbone. Pour son utilisation dans les dispositifs semi-conducteurs, sa bande interdite doit être ouverte par fonctionnalisation de l'oxygène pour former de l'oxyde de graphène (GO). Cette fonctionnalisation de l'oxygène se traduit par une liaison sp3 – sp3 entre les atomes et des propriétés presque isolantes avec une bande interdite très élevée. Pour réduire cette bande interdite, il est très important de contrôler la quantité de rapport oxygène/carbone (O/C) sans réduire le GO en GO réduit (connu sous le nom de r-GO). Une relation linéaire entre la concentration en oxygène et la bande interdite de GO est observée théoriquement avec une augmentation linéaire de la bande interdite avec l'augmentation du rapport oxygène/carbone . Cette augmentation de la bande interdite est observée en raison de la localisation des états électroniques et de la faible liaison entre les atomes C – C. Cette faible liaison résulte de l'interaction entre l'orbitale π du graphène et l'orbitale 2pz de l'oxygène du groupe époxy. Avec une augmentation du rapport O/C jusqu'à 50 % ou plus dans GO, la bande interdite passe également du direct au indirect3,4. La configuration d'empilement des couches GO a également un effet sur la bande interdite, l'empilement AA étant plus approprié que AB en raison du relâchement des zones inoccupées déclarées près du niveau de Fermi5. Son faible coût et sa méthode de production à grande échelle le rendent favorable aux applications dans les appareils électroniques. Mais la bande interdite optique du GO est bien supérieure à ce qui est nécessaire pour fonctionner comme semi-conducteur dans les appareils électroniques.

La fabrication d'aérogels GO avec des structures ordonnées (par exemple radiales et centrosymétriques) à l'aide de la méthode de coulée par congélation a été démontrée par Wang et al.6,7. Les développements récents dans l'impression 3D de matériaux à base de graphène et de ses dérivés et le potentiel possible de leurs applications pour les batteries, les supercondensateurs, les générateurs de vapeur solaires et la conversion électrothermique sont examinés en détail8. En utilisant une technique de chauffage rapide, Chen et al.9 ont produit des films GO uniformes, expansés et réduits d'une épaisseur souhaitée à une hauteur donnée en utilisant une barrière physique, suivis d'une compression pour créer un matériau dense semblable à du papier avec une faible teneur en oxygène. teneur en carbone et une teneur plus élevée en hybridation carbone sp2 qui permettent de fabriquer des feuilles « graphéniques » de différentes épaisseurs susceptibles d'être utiles pour de nombreuses applications.