低维碳基纳米材料的光电光热特性及其应用

低维碳基纳米材料的光电/光热特性及其应用碳基材料由于具有出色的光吸收特性、导电性、热稳定性、化学稳定性等特性,加上来源丰富、绿色无毒、成本低廉等优点,在人们的日常生活中得到广泛应用。其中,低维碳基纳米材料由于同时具有带隙的量子尺寸效应、大的比表面积、多种衬底兼容等优势,更在光电探测器、太阳能电池、气敏传感器、光催化剂、光热器件等领域展现出独特的应用前景。受到廉价科学哲学的启发,并基于这些独特的材料物理特性,以及超高的化学稳定性和制备简易等特点,我们对零维碳基纳米材料的光电/光热性能及其应用进行了探索。

其一,由于具有合适的带隙,液相法制备的石墨烯量子点(Graphene quantum dots,GQDs)代替Graphene成为光电器件理想的候选材料。但是,负光电导(Negative photoconductivity,NPC)和阻滞的存在可能会损害GQDs器件的光电性能。目前,此二者的关联性和起源一直尚无定论。

我们对GQDs中负电导和阻滞的起源进行了研究,并对GQDs负电导的应用进行了探索。主要内容如下:(i)通过对不同相对湿度条件下GQDs的阻滞和光电导进行测量,我们发现NPC和阻滞可以在GQDs中共存,且二者都可归因于GQDs表面吸附的水分子导致的载流子俘获效应。我们还证实了在干燥和封装后,GQDs表现出正的光电导性,且阻滞会发生三个数量级的衰减。

而由于水分吸附的普遍存在,我们的研究结果可能会为新型GQDs光电器件的商业化应用铺平道路。(ii)更进一步,尽管NPC存在于多种材料中,关于其应用的报道还十分有限。这里,我们报道了 GQDs基湿度传感器和紫外光电探测器。

我们发现由于载流子俘获效应的存在,GQDs的电导随环境相对湿度(Relative humidity,RH)的增加呈线性增长。这说明GQDs具有做湿度传感器的

基础。暗态下,GQDs湿度传感器的灵敏度可以达到0.48 nS(%RH)-1,这比先前报道的二硫化钨(WS2)纳米薄膜湿度传感器的灵敏度要高,并且接近单壁碳纳米管(SWCNT)湿度传感器的敏感度,且其精确度接近商用湿度传感器。

另外,在紫外光照射下,GQDs表现出光照强度依赖的NPC,这可用于紫外光探测方面的探索。我们证实在载流子俘获和去俘获的过程中,GQDs光电探测器的性能随着RH增加而显著改善。且在高湿度(RH=90%)条件下,光响应度可达到-418.1 μW-1。

该光响应度比与基于正光电导性的GQDs深UV(254 nm)光电探测器的光响应度(4.26 μA W-1)提高了近两个数量级。其二,基于炭黑高效、宽带光吸收以及低成本等特性,我们对其在光热等方面的应用进行了探索。我们通过吸收体-绿叶界面工程化实现了植物蒸腾的光热可调。

具体内容如下:植物的蒸腾作用不仅可以调整局部环境的温度,还可以通过水气产生对全球水循环产生显著影响。受到最近发展起来的界面太阳能驱动水蒸发的启发,我们首次报道了植物蒸腾可以通过太阳光吸收体-绿叶界面工程化得到调节,这是由于热传导和绿叶的呼吸作用都可以通过控制光吸收来调制。随着蒸腾效率的精细调制,经工程化的植物附近的相对湿度和局域温度可以实现人工调控。

这证实太阳光吸收体-绿叶界面工程化有望对作为地球水循环重要组成部分的植物蒸腾的调节以及局域环境的湿度和温度的调节都提供新的途径。