그래핀 양자점(GQD)은 그래핀 층 크기가 100nm 미만이고 층 수가 10개 미만인 새로운 유형의 탄소 기반 형광 물질을 말합니다. 일반적으로 그래핀 양자점에는 많은 종류의 탄소 형광 물질과 그래핀 양자점, 산화 그래핀 양자점, 부분적으로 환원된 산화 그래핀 양자점을 포함하여 유사한 구조와 특성을 가진 파생물입니다.

그래핀 양자점의 특성

그래핀 양자점의 UV 흡수 성능

그래핀 양자점의 C=C 이중 결합 구조로 인해 π - π 전이가 발생하여 짧은 파장 범위에서 많은 수의 광자를 흡수할 수 있습니다. 일반적으로 UV 흡수 스펙트럼의 260~320nm 범위에서 강한 흡수 피크가 나타나고 가시광선 범위까지 확장되는 테일링이 동반됩니다. 한편, n - π 전이 의 영향으로 인해 그래핀 양자점은 270~390nm 범위에서 숄더 피크(shoulder peak)를 나타낼 수도 있습니다. 더욱이, 표면 개질 작용기 및 표면 패시베이션의 영향으로 인해 UV 흡수 피크의 위치와 모양이 영향을 받습니다.

그래핀 양자점의 광발광 특성

그래핀 양자점의 발광 성능은 가장 중요한 성능이며, 연구자들이 가장 광범위하게 연구하고 실용적인 성능이기도 합니다. 구형 탄소 양자점과 비교하여 층상 구조의 그래핀 양자점은 보다 규칙적인 결정 구조를 가지므로 형광 양자 수율이 더 높습니다.

그래핀 양자점의 합성

그래핀 양자점을 제조하는 방법에는 하향식과 상향식의 두 가지 방법이 있습니다.

하향식 합성

하향식 접근법은 용매 열, 전기화학적, 화학적 박리 경로를 통해 제조할 수 있는 나노크기 그래핀 양자점으로 대형 물질을 물리적 또는 화학적 에칭하는 것을 의미합니다.

용매열법은 그래핀 양자점을 제조하는 여러 방법 중 하나로, 그 과정은 3단계로 나눌 수 있다. 첫째, 산화된 그래핀을 진공 상태에서 고온 하에 그래핀 나노시트로 환원시키는 단계; 진한 황산과 진한 질산에서 그래핀 나노시트를 산화시키고 절단하는 단계; 마지막으로, 산화된 그래핀 나노시트는 용매 열 환경에서 환원되어 그래핀 양자점을 형성합니다.

그래핀 양자점의 전기화학적 제조 과정은 세 단계로 요약할 수 있다. 단계는 흑연이 벗겨져 그래핀을 형성하려는 유도기이며, 전해질의 색이 무색에서 노란색으로, 이후 어두워지기 시작한다. 갈색; 두 번째 단계는 양극에서 흑연이 크게 팽창하는 것입니다. 세 번째 단계는 흑연 조각이 양극에서 벗겨져 전해액과 함께 흑색 용액을 형성하는 단계이다. 2단계와 3단계에서는 비커 바닥에서 침전물이 발견됐다. 전기화학반응에서는 이온성 액체의 음이온과 물 사이에 상호작용이 일어나므로 이온성 액체에 대한 물의 비율을 변화시켜 생성물의 모양과 크기 분포를 조절할 수 있다. 이온 농도가 높은 전해질로 제조된 양자점의 크기는 농도가 낮은 전해질보다 크다.

탄소섬유의 화학적 박리 원리는 화학반응을 통해 탄소원을 층층이 박리시켜 그래핀 양자점을 얻는 것이다. Penget al. 탄소원으로 수지계 탄소섬유를 사용한 후 산처리를 통해 섬유에 쌓인 흑연을 벗겨냈다. 그래핀 양자점은 단 한 단계로 얻을 수 있지만 입자 크기가 고르지 않습니다.

상향식 합성

상향식 접근법은 주로 용액 화학, 초음파 및 마이크로파 방법과 같은 준비 경로를 통해 일련의 상호 작용력을 통해 더 작은 구조 단위를 전구체로 사용하여 그래핀 양자점을 준비하는 것을 의미합니다.

용액화학법은 아릴산화축합의 용액상 화학법을 통해 그래핀 양자점을 제조하는데 주로 사용된다. 합성 과정은 폴리스티렌 수지상 전구체를 얻기 위한 소분자(3-요오도-4-브로모아닐린 또는 기타 벤젠 유도체) 중합체의 점진적인 축합 반응, 이어서 산화 반응을 통해 그래핀 그룹을 얻고, 마지막으로 에칭을 통해 그래핀 양자점을 얻는 과정을 포함합니다.

마이크로파 원리는 설탕(예: 포도당, 과당 등)을 탄소원으로 사용합니다. 탈수 후 설탕은 C=C를 형성하여 그래핀 양자점의 기본 골격 단위를 형성할 수 있기 때문입니다. 수산기와 카르복실기의 수소와 산소 원소는 열수 환경에서 탈수 및 제거되는 반면, 나머지 작용기는 여전히 그래핀 양자점 표면에 결합됩니다. 이는 그래핀 양자점이 우수한 수용성과 형광 특성을 갖도록 만들 수 있는 수동층으로 존재합니다.

GQD의 실제 적용

그래핀 양자점은 생물학, 의학, 새로운 반도체 장치와 같은 분야에서 중요한 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. 단일 분자 센서를 구현할 수 있으며 화학 센서, 태양 전지, 의료 영상 장치 또는 나노 규모 회로 등의 생산을 위해 반도체 레이저를 사용하여 초소형 트랜지스터 또는 온칩 통신을 일으킬 수도 있습니다.