Sintesi e caratterizzazione delle proprietà ottiche lineari/non lineari dell'ossido di grafene e dell'ossido di grafene ridotto

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1496 (2023) Citare questo articolo

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In questo articolo, abbiamo mirato a studiare le proprietà ottiche lineari e non lineari dei nanocompositi GO-ZnO e RGO-ZnO rispetto al GO puro e all'ossido di grafene ridotto (RGO). A questo scopo, GO, RGO, GO-ZnO e RGO-ZnO sono stati sintetizzati e caratterizzati mediante assorbimento dell'infrarosso in trasformata di Fourier (FT-IR), assorbimento dell'ultravioletto-visibile (UV-Vis), diffrazione di raggi X (XRD) e dispersione di energia Spettroscopia a raggi X (EDX). L'analisi XRD ed EDX ha indicato la riduzione di GO nonché la riuscita sintesi dei nanocompositi GO-ZnO e RGO-ZnO. La spettroscopia FT-IR ha mostrato che le bande di assorbimento erano a 3340 cm−1, 1630 cm−1, 1730 cm−1 e 480 cm−1 correlate rispettivamente alle vibrazioni di stiramento OH, C=C, C=O e Zn–O . I gap di banda diretti di GO, RGO, GO-ZnO e RGO-ZnO dagli spettri UV-Vis erano a 3,36, 3,18, 3,63 e 3,25 eV, in sequenza. Inoltre, le proprietà ottiche non lineari del terzo ordine sono state studiate utilizzando una tecnica z-scan con laser Nd:YAG (532 nm, 70 mW). Si può vedere che il valore del coefficiente di assorbimento non lineare \((\upbeta )\) è aumentato da 5,3 × 10–4 (GO) a 8,4 × 10–3 cm/W (RGO-ZnO). Inoltre, l'indice di rifrazione non lineare (n2) di GO, RGO, GO-ZnO e RGO-ZnO è stato ottenuto come 10,9 × 10–10, 14,3 × 10–10, 22,9 × 10–10 e 31,9 × 10–10 cm2/W rispettivamente.

Dopo la scoperta del grafene da parte di Geim e Noveselev nel 2004, sono state condotte ricerche straordinarie sul campo di questo materiale più sottile e piatto che potrebbe mai esistere nell'universo1,2,3,4. Il grafene ha offerto un'esclusiva struttura ibrida sp2 bidimensionale (2D) e grandi proprietà come elevata flessibilità meccanica, conduttività elettrica e termica superiori, ampia area superficiale specifica ed elevata stabilità chimica5,6,7,8,9,10, 11. A causa di queste caratteristiche, il grafene ha varie applicazioni tra cui nei supercondensatori12,13, nel fotovoltaico14,15,16, nelle celle a combustibile17,18,19, nei sensori20,21 e nei nanofluidi22,23. Inoltre, la struttura cristallina 2D del grafene può renderlo più popolare per caricare materiali diversi o formare vari compositi che migliorano le caratteristiche benefiche sia del grafene che dei componenti aggiunti24. Ad esempio, si osserva che i compositi grafene/ossido di metallo hanno mostrato prestazioni più elevate per l'accumulo di energia25,26,27,28 e il rilevamento elettrochimico29,30,31,32 rispetto al grafene singolo o ai componenti aggiunti. Inoltre, la ricerca sul grafene funzionalizzato ha dimostrato che i compositi di grafene mostrano notevoli risposte ottiche non lineari (NLO)33. A questo proposito, gli ossidi metallici inorganici possono essere buoni candidati per la combinazione con il grafene. Recentemente, hanno attirato una notevole attenzione a causa del loro ampio utilizzo nella catalisi, nella purificazione dell’acqua, nella produzione di idrogeno, nelle batterie agli ioni di litio e nell’elettronica trasparente34,35,36,37,38,39. Ad esempio, l'ossido di zinco (ZnO) è un ossido metallico inorganico con un ampio intervallo di banda di 3,37 eV40,41 e un'elevata energia di legame degli eccitoni a temperatura ambiente (60 meV). Ha diverse potenziali applicazioni come diodi emettitori di luce42, celle solari43,44 ,45,46, sensori47,48,49, fotorilevatori50 e nanogeneratori1,5. Di conseguenza, secondo le proprietà superindividuali del grafene e dello ZnO, la combinazione di grafene e nanoparticelle di ZnO può migliorare le prestazioni1. Ovviamente, la corretta solubilità e lavorabilità sono considerate i primi requisiti per molte applicazioni di materiali a base di grafene33. La scarsa solubilità del grafene ne limitava l'applicazione sia in solventi organici che in solventi inorganici24. Uno dei possibili metodi per migliorare la solubilità è l'ossidazione del grafene e la modifica del GO con alcuni materiali solubili. Poiché GO ha grandi quantità di gruppi contenenti ossigeno come carbossile, carbonile e idrossile/epossidico, può facilmente fornire vari tipi di metodi di decorazione con materiali organici e inorganici mediante funzionalizzazione covalente/non covalente51. L'ossido di grafene (GO) può essere sintetizzato con vari metodi come Staudenmaier52, Hofmann53, Jaleh54 e Marcano55. Tra questi, il metodo Hummer è oggi ampiamente utilizzato per la produzione di GO56.