산화 그래핀 및 환원 산화 그래핀의 선형/비선형 광학 특성의 합성 및 특성 규명

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1496(2023) 이 기사 인용

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본 논문에서는 순수 GO 및 환원그래핀옥사이드(RGO)와 비교하여 GO-ZnO 및 RGO-ZnO 나노복합체의 선형 및 비선형 광학 특성을 조사하는 것을 목표로 했습니다. 이를 위해 GO, RGO, GO-ZnO 및 RGO-ZnO를 합성하고 푸리에 변환 적외선(FT-IR), 자외선-가시광선(UV-Vis) 흡수, X선 회절(XRD) 및 에너지 분산 특성을 특징으로 합니다. X선 분광법(EDX). XRD 및 EDX 분석은 GO의 감소뿐만 아니라 GO-ZnO 및 RGO-ZnO 나노복합체의 성공적인 합성을 나타냅니다. FT-IR 분광학은 OH, C=C, C=O 및 Zn-O 신축 진동과 관련된 흡수 밴드가 각각 3340cm-1, 1630cm-1, 1730cm-1 및 480cm-1에 있음을 보여주었습니다. . UV-Vis 스펙트럼의 GO, RGO, GO-ZnO 및 RGO-ZnO의 직접 밴드 갭은 순차적으로 3.36, 3.18, 3.63 및 3.25 eV였습니다. 또한, Nd:YAG 레이저(532nm, 70mW)를 이용한 z-스캔 기술을 사용하여 3차 비선형 광학 특성을 조사했습니다. 비선형 흡수계수 값 \((\upbeta )\)이 5.3 × 10–4(GO)에서 8.4 × 10–3 cm/W(RGO-ZnO)로 증가한 것을 볼 수 있습니다. 또한, GO, RGO, GO-ZnO, RGO-ZnO의 비선형 굴절률(n2)은 10.9×10-10, 14.3×10-10, 22.9×10-10, 31.9×10-10으로 얻어졌다. 각각 cm2/W.

2004년 Geim과 Noveselev가 그래핀을 발견한 이후, 우주에서 존재할 수 있는 가장 얇고 평평한 물질 분야에 대한 엄청난 연구가 수행되었습니다1,2,3,4. 그래핀은 독특한 2차원(2D) sp2-혼성 구조와 높은 기계적 유연성, 우수한 전기 및 열 전도성, 넓은 비표면적, 높은 화학적 안정성과 같은 뛰어난 특성을 제공합니다5,6,7,8,9,10, 11. 이러한 특성으로 인해 그래핀은 슈퍼커패시터12,13, 광전지14,15,16, 연료 전지17,18,19, 센서20,21 및 나노유체22,23를 포함하여 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. 더욱이, 그래핀의 2D 결정 구조는 다양한 재료를 적재하거나 그래핀과 추가된 구성 요소의 유익한 특성을 향상시키는 다양한 복합재를 형성하기 위해 그래핀을 더욱 대중적으로 만들 수 있습니다. 예를 들어, 그래핀/금속 산화물 복합체는 개별 그래핀 또는 추가된 구성 요소와 비교하여 에너지 저장25,26,27,28 및 전기화학적 탐지29,30,31,32에서 더 높은 성능을 나타내는 것으로 관찰됩니다. 더욱이, 기능화된 그래핀에 대한 연구는 그래핀 복합체가 놀라운 비선형 광학(NLO) 반응을 나타내는 것으로 나타났습니다. 이런 점에서 무기 금속 산화물은 그래핀과 결합하기 위한 좋은 후보가 될 수 있습니다. 최근에는 촉매, 수질 정화, 수소 생산, 리튬 이온 배터리 및 투명 전자 장치34,35,36,37,38,39에서 폭넓게 활용되기 때문에 상당한 주목을 받고 있습니다. 예를 들어, 산화아연(ZnO)은 3.37eV의 넓은 밴드 갭을 갖는 무기 금속 산화물이며40,41 실온(60meV)에서 큰 엑시톤 결합 에너지를 가지며 발광 다이오드42, 태양 전지43,44와 같은 다양한 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. ,45,46, 센서47,48,49, 광검출기50 및 나노발전기1,5. 결과적으로, 그래핀과 ZnO의 초개별 특성에 따라 그래핀과 ZnO 나노입자를 결합하면 성능을 향상시킬 수 있습니다1. 분명히, 적절한 용해도와 가공성은 그래핀 기반 재료의 많은 응용 분야에 대한 첫 번째 요구 사항으로 간주됩니다. 그래핀의 용해도가 낮기 때문에 유기 용매나 무기 용매에서의 적용이 제한되었습니다. 용해도를 향상시킬 수 있는 방법 중 하나는 그래핀을 산화시키고 일부 용해성 물질을 사용하여 GO를 변형시키는 것입니다. GO는 카르복실, 카르보닐 및 하이드록실/에폭시와 같은 산소 함유 그룹을 다량 가지고 있기 때문에 공유/비공유 기능화를 통해 유기 및 무기 재료에 다양한 유형의 장식 방법을 쉽게 제공할 수 있습니다. 산화 그래핀(GO)은 Staudenmaier52, Hofmann53, Jaleh54 및 Marcano55 등 다양한 방법으로 합성할 수 있습니다. 그중 Hummers의 방법은 오늘날 GO 생산에 널리 사용됩니다56.