氧化石墨烯在热还原中的非常规红外吸收机理

《氧化石墨烯在热还原中的非常规红外吸收机理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、氧化石墨烯在热还原中的非常规红外吸收机理15氧化石墨烯在热还原中的非常规红外吸收机理15氧化石墨烯在热还原中的非常规红外吸收机理15氧化石墨烯在热还原中的非常规红外吸收机理15氧化石墨烯在热还原中的非常规红外吸收机理15氧化石墨烯在热还原中的非常规红外吸收机理15Unusualinfrared-absorptionmechanisminthermallyreducedgrapheneoxide氧化石墨烯在热还原中的非常规红外吸收机理Authors：M.Acik1,G.Lee1,C.Mattevi2,M.Chhowal

2、la2,K.Cho1andY.J.Chabal1Translator：2011HuazhongUniversityofScience&Technology在固体中，原子和分子的振动红外吸收会通过非绝热的相互作用被电子作用所影响，如Fano效应。通常情况下，红外吸收的谱线形状被修改，或者红外禁止模是可以作为电子吸收调制被探测到的。与这种已知现象相反，我们在此报告，在还原的氧化石墨烯中观察到巨大的红外吸收带，这来源于一种尚未被报告的结构的不对称延伸构型的电子态耦合，该结构含有聚集在缺陷边界的氧原子。自由电子被氧原子移动所

3、诱导（感应），产生了一个强烈的红外吸收，它与声子模式同相。当所有的含氧化学物质，包括羟基，羧基，环氧和酮官能团，从洁净石墨烯补丁的相邻边界区域除去时，这种新的现象才是唯一可能的。石墨烯，带有sp2-杂化蜂窝状二维炭晶格，由共轭六角形晶胞组成，由于其维数和独特的电子能带结构，石墨烯显示出特别的性能。石墨烯是带有线性色散的半金属碳材料，因为它的载流子表现为狄拉克费米子（零有效质量），这抑制了载流子反向反射。因此，有趣的物理性能已得到证明，比如高的本征载流子迁移率（3,000and~200,000cm2V-1s-1），在亚

4、微米尺度上的室温弹道输运，并带有大的平均自由行程，增强的库仑相互作用，弱本地化抑制和绝热玻恩-奥本海默近似偏差抑制。实际设备使用的石墨烯取决于制造有限尺寸结构和控制化学稳定的边界形成的能力，因此非常需要了解一系列石墨烯材料的化学和物理性质。石墨烯氧化（或者甚至水合）是众所周知的去除费米能级状态的例子，从而生成一种绝缘体。因此预测附着在石墨烯上，任何形式（环氧基，羟基，羧基和酮式功能组）的氧，都会在基面和边界上降低费米能级的电子态，即导电性，如实验所示。石墨烯的确是一种良好的绝缘体，它在还原时只部分恢复弱的导电性。即使

5、在高温热处理(800-1,100℃15)后，会有一些残余氧(约8-10%)留在部分还原的单层氧化石墨烯中，此氧化石墨烯含有接近20%的sp3-杂化碳原子。因此，部分还原的氧化石墨烯不可能存在任何可测量的性质，包括自由电子。我们在这里报告观察到一个意外强烈的红外吸收峰，它仅在氧化石墨烯还原时出现。该光谱归属于一个以前未报告的氧化物结构的特定模式（不对称的C-O-C延伸），其中包含处于还原的氧化石墨烯（即清洁石墨烯区域）缺陷区域边界基面上的氧原子。这个非常特别的边界结构（环状边界醚）导致在还原（氧核素转化到边界醚）时部分

6、短程粒子传输，形成了石墨烯中氧的最稳定形式。这个在红外吸收上的巨大增强归因于停留在氧附近的流动电子的边界氧运动引起的共振感应。这些自由电子提供了另一种（主要的）吸收通道。自由电子只在这种特殊的边界结构有关的一个正常模式中产生，即C-O-C基的不对称延伸。所有其他模式表现出正常的红外吸收。针对石墨烯结构，这种巨大的吸收是一个新现象，这不同于表面的非绝热现象。它提出了一种开发敏感带通滤波器，谐振探测器，热红外遥感器（夜视），天线和太阳能吸收的方法，用于获取能源和制造高性能器件（装置）。为了增加高温热处理后发现的特殊氧结构

7、，在热热处理前后有必要使用真空过滤来形成一种均匀沉积氧化石墨烯薄膜。图1表示了初始氧化石墨烯的一个代表性红外吸收光谱，它是在任何热处理之前获得的，羟基、酮类、羧基，sp2-杂化C=C（平面振动）、环氧和一些含有C-O和C=O的化学物质，如乳醇、过氧化氢，二氧五环、酸酐和环醚在其中起到作用，它们属于3个被标记为α、β和γ的光谱区域，并且拥有醚类、酮类物质的特征。通过测量红外吸收光谱的变化来研究在真空热还原中由于含氧物质逐渐减少所引起的红外差光谱变化（补充图S1，部分S1）。在热处理至750℃后（补充图S1d），几乎全部

8、的含氧物质消失，在氧化石墨烯中仅存在很少浓度（约5-7%）的含C-O的醚基团，如图所示，在700-1,320cm-1范围内有很弱的特征。在还原时，假设相似的偶极矩（有效因子约为2），每个光谱范围内观察到的强度变化可以被用来分析各种氧核素的浓度。图1

9、单层氧化石墨烯的透射红外吸收光谱。结构中的各种氧形态包含环氧化物(C–O–C)(1,230–1,