摘 要

石墨烯量子点(graphene quantum dots,GQDs)是石墨烯家族的新成员，它是新型零维矿物材料，目前已被广泛研究。其不仅具有石墨烯的优异性质，而且具有特殊的边界效应和量子限域效应。二氧化锡是一种宽带隙的n型半导体，通常用于光学、电学等领域。因此将石墨烯量子点与二氧化锡复合形成复合材料已经成为众多学者的关注热点。因此，本课题选用天然鳞片石墨为原料，采用改良Hummers法获得氧化石墨，然后采用热还原法获得石墨烯。之后通过水热剪切获得石墨烯量子点。最后以SnCl₄·5H₂O为锡源，通过溶剂热法一步合成石墨烯量子点/SnO₂复合材料。并探究不同比例石墨烯量子点与SnO₂复合后对SnO₂光电性能的改良情况。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、Zeta电位测试、阻抗测试（EIS）以及瞬时光电流测试（I-T）等对石墨烯量子点或石墨烯量子点/SnO₂复合材料的结构或性能进行表征与测试。结果显示，随着石墨烯量子点比例的增加，复合材料的光电性能呈现先增大后减小的趋势，当加入石墨烯量子点的毫升数达到9mL 时，复合材料的瞬时光电流达到最大值3.220×10⁻⁴A/cm²，复合材料的瞬时光电流值约为纯SnO₂的4倍。对应阻抗最小。

关键词：石墨烯量子点（GQDs）；SnO₂；石墨烯量子点/SnO₂复合材料；光电性能

Abstract

Graphene quantum dots (GQDs) is a new member of the graphene family. It is a new type of zero-dimensional mineral material and has been widely studied. It not only has the excellent properties of graphene, but also has special boundary effects and quantum confinement effects. Tin dioxide is a wide band gap n-type semiconductor and commonly used in optical and electrical fields. Therefore, the composite of graphene quantum dots and tin dioxide has become the focus of attention of many scholars. Therefore, this project selects natural flake graphite was as raw material, uses modified Hummers method to obtain oxidized graphite, and then uses thermal reduction method to obtain graphene. Graphene quantum dots is then obtained by hydrothermal cutting method. Finally, SnCl₄·5H₂O was used as a tin source to synthesize graphene quantum dots/SnO₂ composites in one step by solvothermal method. And explore the improvement of the photoelectric properties of SnO₂ after different proportions of graphene quantum dots and SnO₂. Structures of graphene quantum dots or composites by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM), Zeta potential testing, impedance testing (EIS), and transient photocurrent testing (I-T) Performance is characterized and tested.The results show that with the increase of the ratio of graphene quantum dots, the photoelectric properties of the composite materials increase first and then decrease. When the number of milliliters of graphene quantum dots added reaches 9 mL, the instantaneous photocurrent of the composite material reaches a maximum value,3.220×10⁻⁴A/cm².The instantaneous photocurrent value of the composite material is approximately 4 times that of pure SnO₂. At that time the corresponding impedance is the minimum.

Key Words：graphene quantum dots(GQDs);SnO₂;graphene quantum dots/SnO₂ composites; photoelectrical properties.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 石墨简介 1

1.2 石墨烯简介 3

1.3 石墨烯量子点 4

1.3.1石墨烯量子点的制备 4

1.3.2 石墨烯量子点的性质与应用 5

1.3.3 石墨烯量子点的研究现状与发展前景 5

1.4 半导体材料简述 6

1.4.1 二氧化锡的利用现状 6

1.4.2 二氧化锡的制备 7

1.5 石墨烯量子点复合材料简述 7

1.6 本实验的意义与实验内容 8

第2章 试验方案与表征与测试方法 9

2.1 实验方案 9

2.2 表征与测试方法 9

2.2.1 X射线衍射分析（XRD） 10

2.2.2 红外光谱分析（FT-IR） 10

2.2.3 紫外-可见吸收光谱分析（UV-Vis） 10

2.2.4 透射电子显微镜（TEM） 10

2.2.5 原子力显微镜（AFM） 11

2.2.6 Zeta电位测试 11

2.2.7 电化学工作站 11

第3章 氧化石墨、石墨烯与石墨烯量子点的制备与表征 12

3.1 试验部分 12

3.1.1 试验试剂与试验设备 12

3.1.2 试验过程 14

3.1.2.1 氧化石墨的制备 14

3.1.2.2 石墨烯的制备 15

3.1.2.3 石墨烯量子点的制备 15

3.2 测试与表征 16

3.3 结果分析 16

3.3.1 X射线衍射分析 16

3.3.2 UV-Vis结果分析 17

3.3.3 红外光谱（FT-IR）分析 18

3.3.4 透射电子显微镜（TEM）分析 19

3.3.5 原子力显微镜（AFM）分析 20

第4章 溶剂热法一步制备石墨烯量子点/SnO₂复合材料及其表征 22

4.1 试验部分 22

4.1.1 试验试剂 22

4.1.2 试验过程 22

4.2 测试与表征 24

4.3 结果分析 24

4.3.1 X射线衍射（XRD）分析 24

4.3.2 透射电子显微镜（TEM）分析 24

4.3.3 Zeta电位测试分析 25

4.3.4 瞬时光电流（I-T）测试分析 26

4.3.5 阻抗测试（EIS）分析 26

4.4 本章小结 27

第5章 结论 29

参考文献 30

致 谢 32

绪论

矿业作为人类从事生产活动最为古老的一个领域，伴随着全球经济的回暖以及中国产业结构调整的不断深入，矿业领域在经历了近几年的低谷期迎来了触底反弹。石墨是中国的优势矿产资源，由于其特殊的性质，是传统工业和战略性新兴产业所必须的矿物原料。安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验中制备了单层石墨烯，顿时石墨烯材料引起科学界的广泛关注。另外，中国在石墨烯研究上有着得天独厚的优势。

随着越来越多的石墨烯的研究与开发，其中石墨烯量子点作为石墨烯家族的新成员，其纳米级的尺寸不仅拥有石墨烯的优异性能还使其具有量子限制效应和边界效应^[1]，显示出一系列新的物理化学特性。而且其良好的光电性能使其在继石墨烯火热之后在与半导体的复合中拥有独特的优势。