原位制备石墨烯-金纳米颗粒复合材料

　　石墨烯是一种由sp²杂化的碳原子构成的二维原子晶体，具有良好的电学、光学、热学和机械性能，作为一种具有极大潜力的透明电极材料，近年来备受关注。然而，尽管本征石墨烯迁移率很高，但较低的载流子浓度导致材料的电阻相对于传统的透明电极（如ITO）仍然较大，使得多数基于石墨烯透明电极材料的光电器件还没有表现出比现有器件更高的性能，限制了石墨烯透明电极在光电器件中的应用。因此我们需要对石墨烯进行适当改性，以降低石墨烯材料的电阻率。由于金具有比石墨烯更大的功函数，对石墨烯具有较好的掺杂作用，可以改善石墨烯的导电性。此外，金属纳米颗粒所具有的表面等离激元特性，也可能被用于提高器件性能。因此，找到一种直接制备石墨烯-金纳米颗粒复合材料的简便方法十分必要。 

　　中国科学院半导体研究所张兴旺研究组采用负载金盐的固态聚苯乙烯-聚乙烯基吡啶（PS-PVP）胶束作为生长石墨烯-金纳米颗粒复合材料的前驱体，实现了石墨烯-金纳米颗粒复合材料的原位制备。该研究表明，固态PS-PVP胶束不仅可以作为碳源用于制备高质量的石墨烯薄膜材料，同时被PS-PVP胶束所负载的金属盐（HAuCl₄）在生长过程中被还原成为金纳米颗粒附着在石墨烯表面。因此，通过这一过程我们可以实现石墨烯-金纳米颗粒复合材料的原位生长。相关的研究成果发表在《Nanotechnology》上。 

　　图1 石墨烯-金纳米颗粒复合材料中石墨烯和Au NPs界面间的能量示意图 

　　为了表征采用负载金盐的PS-PVP胶束制备的石墨烯的材料结构，该课题组利用北京同步辐射装置（BSRF）4B9B-光电子能谱实验站测试了材料的C的近边X射线吸收谱（NEXAFS）。通过NEXAFS技术可以清楚地描述石墨烯中碳源子的两种电子状态：位于284.4 eV处和291.6 eV处的吸收峰分别对应于石墨烯中碳C 1s电子被X射线激发到π*和σ*轨道形成的吸收峰。此外，他们还利用北京同步辐射装置的紫外光电子能谱（UPS）测试了石墨烯样品的功函数，发现利用负载金盐的PS-PVP胶束制备的石墨烯样品的功函数为4.5 eV，而参考石墨烯的功函数仅为4.4 eV，结果表明石墨烯-金之间的电荷转移导致了石墨烯样品p型掺杂。  

　　图2 利用同步辐射技术开展的NEXAFS谱和XPS谱实验数据。　　

　　该研究展示了一种利用负载金盐的PS-PVP胶束实现石墨烯-金纳米颗粒复合材料的简易制备方法；金纳米颗粒不仅可以降低石墨烯的电阻率，而且复合材料也表现出表面等离激元共振特性。该工作对理解金纳米颗粒对石墨烯性质的影响，以及实现石墨烯-金纳米颗粒复合材料的应用具有重要意义。