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【引言】

 

石墨烯是一種二維零帶隙半導(dǎo)體，具有許多不同尋常的特性和應(yīng)用。石墨烯納米帶是石墨烯的一部分，其對稱性和寬度決定了它們的電性能，引起不尋常的量子力學(xué)現(xiàn)象。最近， 在金屬表面上制備的石墨烯納米帶的合成和研究已經(jīng)取得了成功，可以通過掃描探針顯微鏡研究。然而，由于表面參與石墨烯納米帶的合成和穩(wěn)定， 將這些技術(shù)擴(kuò)展到三個維度是不可能的。

 

【成果簡介】

 

近日，哥倫比亞大學(xué)的Michael L. Steigerwald,，Colin Nuckolls，Thomas J. Sisto及德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校的Luis Echegoyen（共同通訊）在Journal of the American Chemical Society期刊上發(fā)表了題為“Three-Dimensional Graphene Nanostructures”的研究論文，文中詳細(xì)介紹了設(shè)計高性能光電子材料的新概念：三維（3D）石墨烯納米結(jié)構(gòu)。 這一總體策略通過合成三葉螺旋槳納米結(jié)構(gòu)，由中心三蝶烯中心和螺旋石墨烯納米帶的偶聯(lián)和融合而得到展示。 重要的是，這些3D石墨烯納米結(jié)構(gòu)顯示出與取代基部分不同的顯著新特性。 例如，較大的納米結(jié)構(gòu)在光電子器件中顯示吸收增強(qiáng)和接觸電阻降低。 為了在器件設(shè)置中顯示這些增強(qiáng)的特性，納米結(jié)構(gòu)被用作鈣鈦礦太陽能電池中的電子提取層。 這些納米結(jié)構(gòu)中最大的一個獲得了18.0％的PCE，是非富勒烯電子萃取層報道的最高值之一。

 

【圖文導(dǎo)讀】

 

圖1. 三維石墨烯納米材料的和合成

 

 

（a）合成3D石墨烯納米結(jié)構(gòu)的一般策略；

 

（b）在這項研究中合成的三種納米結(jié)構(gòu)。

 

 

圖2. 三種三維納米結(jié)構(gòu)的表征

 

 

（a）納米結(jié)構(gòu)1,2和3的UV / vis光譜；

 

（b）化合物hPDI3和b-hPDI3的結(jié)構(gòu)；

 

（c）b-hPDI3和納米結(jié)構(gòu)3的UV / vis光譜，顯示電子結(jié)構(gòu)的相似性；

 

（d）3，hPDI3和b-hPDI3的截短的UV / vis光譜，比較三倍hPDI3，三倍b hPDI3和納米結(jié)構(gòu)3的最長波長躍遷。雖然benzannulation的電子貢獻(xiàn)引起一些吸收增加， 它不負(fù)責(zé)納米結(jié)構(gòu)3中的所有增強(qiáng)。

 

 

圖3. 三維石墨烯納米結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)

 

 

（a）納米結(jié)構(gòu)3與Fc / Fc +的循環(huán)伏安圖；
每個事件對應(yīng)于三電子過程，表明3可逆地接受18個電子；

 

（b）EPR譜線寬度的比率等于離域亞基數(shù)量的平方，表明該基團(tuán)在整個三葉片納米結(jié)構(gòu)上離域。

 

 

圖4. 三維石墨烯納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池

 

 

（a）鈣鈦礦太陽能電池配置；

 

（b）3D石墨烯納米結(jié)構(gòu)到鈣鈦礦中的層間滲透；

 

（c）設(shè)備PCE的分配。 計數(shù)表示單獨(dú)的試驗。 曲線表示每組組件的歸一化分布。 百分比表示每組設(shè)備的平均結(jié)果；

 

（d）每個組件的歐姆電阻圖。 鈣鈦礦和ETM之間的界面電阻分配給第一個較高頻率的RC電弧。

 

【小結(jié)】

 

本文提出了石墨烯納米帶與中心樞紐的連接和融合，以產(chǎn)生三維石墨烯納米結(jié)構(gòu)。作者通過新的C-H激活方案合成納米結(jié)構(gòu)，以一步完成三蝶啶的三功能化。然后將帶子與可見光流動光環(huán)化耦合并熔合到輪轂上，以產(chǎn)生非常大（分子量超過6600）并且高度可溶的原子限定的結(jié)構(gòu)。與其組成部分相比，最大的納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出超過80％的吸收增加，并在1V電勢范圍內(nèi)以電化學(xué)方式接受18個電子。由于鈣鈦礦和傳輸層之間的界面電阻較低，因此作為電子提取層的鈣鈦礦太陽能電池并入產(chǎn)生高達(dá)18.0％的效率。