基于石墨烯的光电响应材料的制备方法及应用与流程

本发明涉及光纤通讯技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯的光电响应材料的制备方法及应用。

背景技术：

近年来，随着科技的进步，光纤通讯技术得到快速发展，在光纤通讯技术的测试领域中常需要使用光电探测器，光电探测器是基于由辐射引起被照射材料电学性质改变的物理现象，把光信号转换为电信号，并通过检测电信号来检验光信号的器件。光电探测器是光探测器的一种，具有探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，同时具有明显的光波长选择特性。

光电探测器中需要使用光电响应材料，传统的基于硫化镉、硒化镉可见光波段的光敏电阻和基于硫化铅红外波段的光电响应材料被广泛应用于光电探测器中，但这些传统的材料存在成本较高、响应时间长的缺点，最终影响光电探测器的成本和灵敏度。

技术实现要素：

鉴于上述状况，本发明的一方面提供一种基于石墨烯的光电响应材料的制备方法，解决成本较高、响应时间慢的问题。

一种基于石墨烯的光电响应材料的制备方法，包括：

向氧化石墨烯中加入乙醇，得到氧化石墨烯悬浮液；

将所述氧化石墨烯悬浮液置于含乙醇的容器中进行超声；

向容器中加入zn(ac)2·2h2o的乙醇溶液再次超声，其中，加入的zn(ac)2·2h2o和氧化石墨烯的质量比为1:1；

向容器中加入naoh的乙醇溶液，其中，加入的naoh和氧化石墨烯的质量比为0.12～0.14:1；

将混合物搅拌均匀后，在水浴中进行反应；

冷却后，分别经乙醇冲洗、离心提纯2～3次，最终制备出所述基于石墨烯的光电响应材料。

根据本发明提供的基于石墨烯的光电响应材料的制备方法，最终制备出基于石墨烯和氧化锌纳米颗粒的复合光电响应材料，所需材料的成本较低，测试结果表明制备出的光电响应材料中的氧化锌单晶纳米颗粒的平均直径为4.6～5.4nm，这些颗粒均匀分布在还原石墨烯表面，其中，由于氧化锌纳米颗粒与石墨烯之间没有分子连接，其界面的接触特性得到很大的提高，最终使该基于石墨烯的光电响应材料对紫外光具有快速、高效的响应特点。

另外，根据本发明上述的基于石墨烯的光电响应材料的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述向氧化石墨烯粉末中加入乙醇的步骤之前，所述方法还包括氧化石墨烯的制备，具体包括：

步骤11，石墨的预氧化：

向容器中加入浓h2so4，然后放入油浴锅中机械搅拌，依次加入天然石墨、过硫酸钾、p2o5，搅拌均匀后，70～80℃反应3h，冷却至室温后往容器中缓慢的加入蒸馏水，控制容器内的温度不超过80℃；将混合溶液进行真空抽滤，得到的滤饼置于干净的烧杯中，再次加入蒸馏水稀释，再抽滤，直到滤液呈中性为止，最后将滤饼放入80℃鼓风干燥箱中干燥10～12h，得到预氧化产物；

步骤12，石墨的氧化：

步骤121，在冰浴条件下往烧杯中加入浓h2so4，将上步得到的所述预氧化产物研磨后加入到烧杯中，搅拌均匀，缓慢的加入研细的kmno4粉末，充分反应4h；

步骤122，将烧杯转移到预先加热至35℃油浴锅中，机械搅拌，反应2h，反应完成后，用滴定瓶缓慢的加入蒸馏水，保持烧杯中的温度不超过80℃，此时溶液呈棕褐色；

步骤123，将油浴温度上升至95℃，机械搅拌反应30min，溶液呈淡黄色，向烧杯中加入h2o2，溶液由淡黄色变成亮黄色，然后加入10％的盐酸溶液，去除未反应完全的金属氧化物，再用蒸馏水将产物反复洗涤至溶液呈中性，最后将泥浆状的产物冷冻干燥；

步骤13，研磨：

将上一步中冷冻干燥的产物用玛瑙研钵充分研磨后，得到所述氧化石墨；

步骤14，分散：

将管式气氛炉预先加热到700℃，并通入保护气体n2，将所述氧化石墨放入镍坩埚中，然后放入到所述管式气氛炉中，保温8～10min，最终制得所述氧化石墨烯。

进一步地，所述将所述氧化石墨烯悬浮液置于含乙醇的容器中进行超声的步骤中，超声时间为8～10min。

进一步地，所述向容器中加入zn(ac)2·2h2o的乙醇溶液再次超声的步骤中，超声时间为5～6min。

进一步地，所述将混合物搅拌均匀后，在水浴中进行反应的步骤中，水浴反应调节为：70～80℃水浴中反应1～1.5小时。

进一步地，所述步骤11中，依次加入质量比2.5:1.5:1.8的所述天然石墨、过硫酸钾、p2o5。

进一步地，所述步骤121中，所述kmno4粉末的质量为所述天然石墨质量的4～5倍。

进一步地，所述步骤13中，玛瑙研钵充分研磨后，过100目筛，得到所述氧化石墨。

本发明的另一方面还提供一种上述方法制备的基于石墨烯的光电响应材料的应用，将所述基于石墨烯的光电响应材料用于制备光电探测器，包括以下步骤：

采用粒径为300mmsio2通过热氧化获得sio2/si衬底；

采用光刻技术在所述sio2/si衬底制备相邻间距为5μm的叉指电极；

把含有所述基于石墨烯的光电响应材料的乙醇溶液滴到叉指电极上，在室温下自然晾干，以制备光电探测器。

最终制备的光电探测器对紫外光的检测灵敏度达1.03～1.05*10⁴，对紫外光的响应时间达7.6～9.2s，相比现有技术，具有优势。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施方式的基于石墨烯的光电响应材料的制备方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明的实施方式提供了一种基于石墨烯的光电响应材料的制备方法，包括：

步骤1，向氧化石墨烯中加入乙醇，得到氧化石墨烯悬浮液；

步骤2，将所述氧化石墨烯悬浮液置于含乙醇的容器中进行超声；

步骤3，向容器中加入zn(ac)2·2h2o的乙醇溶液再次超声，其中，加入的zn(ac)2·2h2o和氧化石墨烯的质量比为1:1；

步骤4，向容器中加入naoh的乙醇溶液，其中，加入的naoh和氧化石墨烯的质量比为0.12～0.14:1；

步骤5，将混合物搅拌均匀后，在水浴中进行反应；

步骤6，冷却后，分别经乙醇冲洗、离心提纯2～3次，最终制备出所述基于石墨烯的光电响应材料。

根据本发明提供的基于石墨烯的光电响应材料的制备方法，最终制备出基于石墨烯和氧化锌纳米颗粒的复合光电响应材料，所需材料的成本较低，测试结果表明制备出的光电响应材料中的氧化锌单晶纳米颗粒的平均直径为5nm，这些颗粒均匀分布在还原石墨烯表面，其中，由于氧化锌纳米颗粒与石墨烯之间没有分子连接，其界面的接触特性得到很大的提高，最终使该基于石墨烯的光电响应材料对紫外光具有快速、高效的响应特点。

下面分多个实施例对本发明实施例进行进一步的说明。本发明实施例不限定于以下的具体实施例。在不变主权利的范围内，可以适当的进行变更实施。

实施例一

一种基于石墨烯的光电响应材料的制备方法，包括：

步骤11，石墨的预氧化：

向容器中加入浓h2so4，然后放入油浴锅中机械搅拌，依次加入质量比2.5:1.5:1.8的天然石墨、过硫酸钾、p2o5，搅拌均匀后，70℃反应3h，冷却至室温后往容器中缓慢的加入蒸馏水，控制容器内的温度不超过80℃；将混合溶液进行真空抽滤，得到的滤饼置于干净的烧杯中，再次加入蒸馏水稀释，再抽滤，直到滤液呈中性为止，最后将滤饼放入80℃鼓风干燥箱中干燥10h，得到预氧化产物；

步骤12，石墨的氧化：

步骤121，在冰浴条件下往烧杯中加入浓h2so4，将上步得到的所述预氧化产物研磨后加入到烧杯中，搅拌均匀，缓慢的加入研细的kmno4粉末，所述kmno4粉末的质量为所述天然石墨质量的4倍，充分反应4h；

步骤122，将烧杯转移到预先加热至35℃油浴锅中，机械搅拌，反应2h，反应完成后，用滴定瓶缓慢的加入蒸馏水，保持烧杯中的温度不超过80℃，此时溶液呈棕褐色；

步骤123，将油浴温度上升至95℃，机械搅拌反应30min，溶液呈淡黄色，向烧杯中加入h2o2，溶液由淡黄色变成亮黄色，然后加入10％的盐酸溶液，去除未反应完全的金属氧化物，再用蒸馏水将产物反复洗涤至溶液呈中性，最后将泥浆状的产物冷冻干燥；

步骤13，研磨：

将上一步中冷冻干燥的产物用玛瑙研钵充分研磨后，过100目筛，得到所述氧化石墨；

步骤14，分散：

将管式气氛炉预先加热到700℃，并通入保护气体n2，将所述氧化石墨放入镍坩埚中，然后放入到所述管式气氛炉中，保温8min，最终制得所述氧化石墨烯；

步骤15，向氧化石墨烯中加入乙醇，得到氧化石墨烯悬浮液；

步骤16，将所述氧化石墨烯悬浮液置于含乙醇的容器中进行超声，超声时间为8min；

步骤17，向容器中加入zn(ac)2·2h2o的乙醇溶液再次超声5min，其中，加入的zn(ac)2·2h2o和氧化石墨烯的质量比为1:1；

步骤18，向容器中加入naoh的乙醇溶液，其中，加入的naoh和氧化石墨烯的质量比为0.12:1；

步骤19，将混合物搅拌均匀后，在水浴中进行反应，水浴反应调节为：70℃水浴中反应1小时；

步骤20，冷却后，分别经乙醇冲洗、离心提纯2～3次，最终制备出所述基于石墨烯的光电响应材料。

通过电镜测试结果表明，本实施例制备出的光电响应材料中的氧化锌单晶纳米颗粒的平均直径为4.6nm，且氧化锌单晶纳米颗粒均匀分布在还原石墨烯表面，氧化锌纳米颗粒与石墨烯之间没有分子连接，其界面的接触特性得到很大的提高，最终使该基于石墨烯的光电响应材料对紫外光具有快速、高效的响应特点。

本实施例还提出上述制备出的基于石墨烯的光电响应材料的应用，将制得的所述基于石墨烯的光电响应材料用于制备光电探测器，包括以下步骤：

步骤201，采用粒径为300mmsio2通过热氧化获得sio2/si衬底；

步骤202，采用光刻技术在所述sio2/si衬底制备相邻间距为5μm的叉指电极；

步骤203，把含有所述基于石墨烯的光电响应材料的乙醇溶液滴到叉指电极上，在室温下自然晾干，以制备光电探测器。

经过电性测试，最终制备出的光电探测器对紫外光的检测灵敏度达1.03*10⁴，对紫外光的响应时间达7.6s。

实施例二

一种基于石墨烯的光电响应材料的制备方法，包括：

步骤11，石墨的预氧化：

向容器中加入浓h2so4，然后放入油浴锅中机械搅拌，依次加入质量比2.5:1.5:1.8的天然石墨、过硫酸钾、p2o5，搅拌均匀后，75℃反应3h，冷却至室温后往容器中缓慢的加入蒸馏水，控制容器内的温度不超过80℃；将混合溶液进行真空抽滤，得到的滤饼置于干净的烧杯中，再次加入蒸馏水稀释，再抽滤，直到滤液呈中性为止，最后将滤饼放入80℃鼓风干燥箱中干燥11h，得到预氧化产物；

步骤12，石墨的氧化：

步骤121，在冰浴条件下往烧杯中加入浓h2so4，将上步得到的所述预氧化产物研磨后加入到烧杯中，搅拌均匀，缓慢的加入研细的kmno4粉末，所述kmno4粉末的质量为所述天然石墨质量的4.5倍，充分反应4h；

步骤122，将烧杯转移到预先加热至35℃油浴锅中，机械搅拌，反应2h，反应完成后，用滴定瓶缓慢的加入蒸馏水，保持烧杯中的温度不超过80℃，此时溶液呈棕褐色；

步骤123，将油浴温度上升至95℃，机械搅拌反应30min，溶液呈淡黄色，向烧杯中加入h2o2，溶液由淡黄色变成亮黄色，然后加入10％的盐酸溶液，去除未反应完全的金属氧化物，再用蒸馏水将产物反复洗涤至溶液呈中性，最后将泥浆状的产物冷冻干燥；

步骤13，研磨：

将上一步中冷冻干燥的产物用玛瑙研钵充分研磨后，过100目筛，得到所述氧化石墨；

步骤14，分散：

将管式气氛炉预先加热到700℃，并通入保护气体n2，将所述氧化石墨放入镍坩埚中，然后放入到所述管式气氛炉中，保温9min，最终制得所述氧化石墨烯；

步骤15，向氧化石墨烯中加入乙醇，得到氧化石墨烯悬浮液；

步骤16，将所述氧化石墨烯悬浮液置于含乙醇的容器中进行超声，超声时间为9min；

步骤17，向容器中加入zn(ac)2·2h2o的乙醇溶液再次超声5min，其中，加入的zn(ac)2·2h2o和氧化石墨烯的质量比为1:1；

步骤18，向容器中加入naoh的乙醇溶液，其中，加入的naoh和氧化石墨烯的质量比为0.13:1；

步骤19，将混合物搅拌均匀后，在水浴中进行反应，水浴反应调节为：75℃水浴中反应1.3小时；

步骤20，冷却后，分别经乙醇冲洗、离心提纯2～3次，最终制备出所述基于石墨烯的光电响应材料。

通过电镜测试结果表明，本实施例制备出的光电响应材料中的氧化锌单晶纳米颗粒的平均直径为4.9nm，且氧化锌单晶纳米颗粒均匀分布在还原石墨烯表面，氧化锌纳米颗粒与石墨烯之间没有分子连接，其界面的接触特性得到很大的提高，最终使该基于石墨烯的光电响应材料对紫外光具有快速、高效的响应特点。

本实施例还提出上述制备出的基于石墨烯的光电响应材料的应用，将制得的所述基于石墨烯的光电响应材料用于制备光电探测器，包括以下步骤：

步骤201，采用粒径为300mmsio2通过热氧化获得sio2/si衬底；

步骤202，采用光刻技术在所述sio2/si衬底制备相邻间距为5μm的叉指电极；

步骤203，把含有所述基于石墨烯的光电响应材料的乙醇溶液滴到叉指电极上，在室温下自然晾干，以制备光电探测器。

经过电性测试，最终制备出的光电探测器对紫外光的检测灵敏度达1.05*10⁴，对紫外光的响应时间达8.4s。

实施例三

一种基于石墨烯的光电响应材料的制备方法，包括：

步骤11，石墨的预氧化：

向容器中加入浓h2so4，然后放入油浴锅中机械搅拌，依次加入质量比2.5:1.5:1.8的天然石墨、过硫酸钾、p2o5，搅拌均匀后，80℃反应3h，冷却至室温后往容器中缓慢的加入蒸馏水，控制容器内的温度不超过80℃；将混合溶液进行真空抽滤，得到的滤饼置于干净的烧杯中，再次加入蒸馏水稀释，再抽滤，直到滤液呈中性为止，最后将滤饼放入80℃鼓风干燥箱中干燥12h，得到预氧化产物；

步骤12，石墨的氧化：

步骤121，在冰浴条件下往烧杯中加入浓h2so4，将上步得到的所述预氧化产物研磨后加入到烧杯中，搅拌均匀，缓慢的加入研细的kmno4粉末，所述kmno4粉末的质量为所述天然石墨质量的5倍，充分反应4h；

步骤122，将烧杯转移到预先加热至35℃油浴锅中，机械搅拌，反应2h，反应完成后，用滴定瓶缓慢的加入蒸馏水，保持烧杯中的温度不超过80℃，此时溶液呈棕褐色；

步骤123，将油浴温度上升至95℃，机械搅拌反应30min，溶液呈淡黄色，向烧杯中加入h2o2，溶液由淡黄色变成亮黄色，然后加入10％的盐酸溶液，去除未反应完全的金属氧化物，再用蒸馏水将产物反复洗涤至溶液呈中性，最后将泥浆状的产物冷冻干燥；

步骤13，研磨：

将上一步中冷冻干燥的产物用玛瑙研钵充分研磨后，过100目筛，得到所述氧化石墨；

步骤14，分散：

将管式气氛炉预先加热到700℃，并通入保护气体n2，将所述氧化石墨放入镍坩埚中，然后放入到所述管式气氛炉中，保温10min，最终制得所述氧化石墨烯；

步骤15，向氧化石墨烯中加入乙醇，得到氧化石墨烯悬浮液；

步骤16，将所述氧化石墨烯悬浮液置于含乙醇的容器中进行超声，超声时间为10min；

步骤17，向容器中加入zn(ac)2·2h2o的乙醇溶液再次超声6min，其中，加入的zn(ac)2·2h2o和氧化石墨烯的质量比为1:1；

步骤18，向容器中加入naoh的乙醇溶液，其中，加入的naoh和氧化石墨烯的质量比为0.14:1；

步骤19，将混合物搅拌均匀后，在水浴中进行反应，水浴反应调节为：80℃水浴中反应1.5小时；

步骤20，冷却后，分别经乙醇冲洗、离心提纯2～3次，最终制备出所述基于石墨烯的光电响应材料。

通过电镜测试结果表明，本实施例制备出的光电响应材料中的氧化锌单晶纳米颗粒的平均直径为5.4nm，且氧化锌单晶纳米颗粒均匀分布在还原石墨烯表面，氧化锌纳米颗粒与石墨烯之间没有分子连接，其界面的接触特性得到很大的提高，最终使该基于石墨烯的光电响应材料对紫外光具有快速、高效的响应特点。

本实施例还提出上述制备出的基于石墨烯的光电响应材料的应用，将制得的所述基于石墨烯的光电响应材料用于制备光电探测器，包括以下步骤：

步骤201，采用粒径为300mmsio2通过热氧化获得sio2/si衬底；

步骤202，采用光刻技术在所述sio2/si衬底制备相邻间距为5μm的叉指电极；

步骤203，把含有所述基于石墨烯的光电响应材料的乙醇溶液滴到叉指电极上，在室温下自然晾干，以制备光电探测器。

经过电性测试，最终制备出的光电探测器对紫外光的检测灵敏度达1.05*10⁴，对紫外光的响应时间达9.2s。

上表对比了采用上述三个实施例和现有技术的方法制备出的光电探测器对紫外光的检测灵敏度和紫外光的的响应时间，从表中可以明显看出，采用本发明三个实施例的方法最终制备的光电探测器对紫外光的检测灵敏度和紫外光的的响应时间均优于现有技术，具有明显优势。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。