KR101556584B1 - N-type graphene quantum dots and method for manufacturing the same by nitrogen doping - Google Patents

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Abstract

본 발명은 베어(bare) 그래핀 양자점에 질소 함유 화합물을 처리하는 단계; 및 결과물을 열처리하는 단계;를 포함하는 n형 그래핀 양자점의 제조방법 및 질소(N)원자가 도핑된 그래핀 양자점에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a bare graphene quantum dot comprising: treating a bare graphene quantum dot with a nitrogen containing compound; And heat treating the resultant. The present invention also relates to a method for producing an n-type graphene quantum dot and a graphene quantum dot doped with nitrogen (N) atoms.

Description

n형 그래핀 양자점 및 질소 도핑에 의하여 n형 그래핀 양자점의 제조 방법{N-TYPE GRAPHENE QUANTUM DOTS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME BY NITROGEN DOPING}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an n-type graphene quantum dot and an n-type graphene quantum dot by nitrogen doping,

본 발명은 n형 그래핀 양자점 및 질소 도핑에 의하여 n형 그래핀 양자점의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an n-type graphene quantum dot and a method for producing n-type graphene quantum dot by nitrogen doping.

그래핀 양자점들(graphene quantum dots, GQDs)은 탄소의 원자 두께를 가지는 sp2 혼성화(hybridization)의 전도성 2차원 나노조각으로서 그 크기, 형상, 및 가장자리 상태에 따라서 매우 독특한 광학적 및 전기적 특성들을 나타낸다. Graphene quantum dots (GQDs) are conductive two-dimensional nanoparticles of sp 2 hybridization with an atomic thickness of carbon and exhibit very unique optical and electrical properties depending on their size, shape, and edge state.

이런 단 원자 층 두께의 그래핀 양자점에서 파이(π) 전자상태들은 자유 전하 운반자들을 공급하기 때문에 높은 전도도를 가진다. 그러나 그들의 전자 구조는 그래핀 양자점의 가장자리와 크기에 강하게 의존한다. 따라서 그래핀 양자점의 물리적 및 전기적 특성 조절은 그 크기와 가장자리 상태를 변화시킴으로써 가능할 것이다. 특히 탄소 나노물질들은 이종원자 (heteroatom)들을 도핑함으로써 전자상태, 표면 및 국부적인 화학적 특성 등의 고유특성들을 효과적으로 조절할 수 있다. At these atomic layer thickness graphene quantum dots, the pi (π) electron states have high conductivity because they supply free charge carriers. However, their electronic structure strongly depends on the edge and size of the graphene quantum dot. Thus, the physical and electrical properties of graphene quantum dots can be controlled by changing their size and edge state. In particular, carbon nanomaterials can effectively control intrinsic properties such as electron state, surface and local chemical properties by doping heteroatoms.

본 발명의 일 실시예는 질소(N) 원자가 도핑된 n형 그래핀 양자점을 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention is to provide n-type graphene quantum dots doped with nitrogen (N) atoms.

본 발명의 다른 실시예는 질소 원자의 도핑 과정을 단순화하여 저 비용으로 n형 그래핀 양자점을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.Another embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing an n-type graphene quantum dot at a low cost by simplifying the doping process of nitrogen atoms.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing the same.

상기한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 n형 그래핀 양자점은, 베어(bare) 그래핀 양자점의 가장자리에 탄소와 질소의 단일결합, 탄소와 질소의 이중결합, 또는 탄소와 질소의 단일결합 및 탄소와 질소의 이중결합이 존재할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, an n-type graphene quantum dot includes a single bond of carbon and nitrogen, a double bond of carbon and nitrogen, or a bond of carbon and nitrogen to the edge of a bare graphene quantum dot. A single bond of nitrogen and a double bond of carbon and nitrogen may be present.

본 발명의 일 실시예에 따른 n형 그래핀 양자점은, 베어 그래핀 양자점의 가장자리에 탄소와 질소의 단일결합, 탄소와 질소의 이중결합, 또는 탄소와 질소의 단일결합 및 탄소와 질소의 이중결합이 존재함으로써, 베어 그래핀 양자점의 크기에 비해서 상대적으로 크기가 증가한 n형 그래핀 양자점일 수 있다.An n-type graphene quantum dot according to an embodiment of the present invention is a single quantum well structure in which a single bond of carbon and nitrogen, a double bond of carbon and nitrogen, a single bond of carbon and nitrogen, and a double bond of carbon and nitrogen Can be an n-type graphene quantum dot having a relatively increased size compared to the size of a bare graphene quantum dot.

상기한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 n형 그래핀 양자점의 제조방법은, 베어(bare) 그래핀 양자점에 질소 함유 화합물을 처리하는 단계; 및 결과물을 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an n-type graphene quantum dot comprising: treating a bare graphene quantum dot with a nitrogen-containing compound; And heat treating the resultant.

본 발명의 다른 실시예에 따른 n형 그래핀 양자점의 제조방법은, 베어 그래핀 양자점을 탈 이온수와 혼합하여 베어 그래핀 양자점 수용액을 제조하는 단계; 상기 베어 그래핀 양자점 수용액에 하이드라진을 첨가하여 하이드라진 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 하이드라진 혼합 용액을 30~180℃의 온도에서 10~24 시간 동안 반응시키는 단계;를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing an n-type graphene quantum dot, comprising: preparing a bevel graphene quantum dot aqueous solution by mixing a bare graphene quantum dot with deionized water; Preparing hydrazine mixed solution by adding hydrazine to the aqueous solution of bare graphene quantum dots; And reacting the hydrazine mixed solution at a temperature of 30 to 180 ° C for 10 to 24 hours.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 실험예들을 통하여 자세하게 설명하기로 한다. Specific details of other embodiments will be described in detail with reference to the detailed description and experimental examples.

본 발명의 일 실시예는, 베어 그래핀 양자점의 에너지 띠 구조에서 가전자대(HOMO, Highest occupied molecular orbital)과 전자대(LUMO, Lowest occupied molecular orbital)의 사이에 질소 불순물 준위(N impurity level)을 가지므로, 흡수 및 발광 특성이 변화한 n형 그래핀 양자점을 제공할 수 있는 장점이 있다.In one embodiment of the present invention, a nitrogen impurity level (N impurity level) between a high occupied molecular orbital (HOMO) and a lowest occupied molecular orbital (LUMO) in the energy band structure of a bare graphene quantum dot It is possible to provide n-type graphene quantum dots in which absorption and luminescence characteristics are changed.

본 발명의 다른 실시예에 따른 n형 그래핀 양자점의 제조방법은, 베어 그래핀 양자점에 질소 함유 화합물을 처리하고 열처리하는 1 단계 내지 2 단계의 간단한 공정만으로 베어 그래핀 양자점에 질소 원자를 도핑할 수 있으므로 가격 경쟁력이 우수한 n형 그래핀 양자점을 제공할 수 있는 장점이 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for manufacturing n-type graphene quantum dots, comprising the steps of: (a) providing a bare graphene quantum dot with a nitrogen-containing compound; It is possible to provide an n-type graphene quantum dot having excellent price competitiveness.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 n형 그래핀 양자점의 제조방법은, 베어 그래핀 양자점에 질소 함유 화합물을 처리하고 열처리하는 1 단계 내지 2 단계의 간단한 공정으로 구성되어 있으므로, 반복적인 화학적 처리과정에서 질소 원자가 손실되어 수율이 저하되는 문제를 해결할 수 있다. 따라서, 고 수율로 n형 그래핀 양자점을 제공할 수 있는 장점이 있다.Further, the n-type graphene quantum dot manufacturing method according to another embodiment of the present invention is composed of a simple step of one-step or two-step process of treating a nitrogen-containing compound to a bare graphene quantum dot and performing heat treatment, It is possible to solve the problem that the nitrogen atom is lost in the process and the yield is lowered. Therefore, there is an advantage that n-type graphene quantum dots can be provided at a high yield.

도 1은 하이드라진 처리 전의 그래핀 양자점의 전자현미경 이미지이다.
도 2는 하이드라진 처리 후의 그래핀 양자점의 전자현미경 이미지이다.
도 3은 전형적으로 관찰되는 그래핀 양자점의 고분해능 전자현미경 이미지이다.
도 4는 도 3의 흰색선에 대응되는 선 프로파일(Line profile)이다.
도 5는 질소 원자 도핑 전의 양자점들(GQDs)의 크기 분포 그래프이다.
도 6은 질소 원자 도핑 후에 양자점들(Hy-GQDs)의 크기 분포 그래프이다.
도 7은 질소 원자 도핑 전의 양자점(GQD) 및 질소 원자가 도핑된 양자점(Hy-GQD)의 C 1s XPS 스펙트럼이다.
도 8은 도 7의 질소 원자 도핑 전의 양자점(GQD) 및 질소 원자가 도핑된 양자점(Hy-GQD) 각각의 XPS peak 들의 상대적인 세기들을 종합한 그래프이다.
도 9는 하이드라진 처리 전의 양자점(GQD) 및 처리 후 양자점 (Hy-GQD)의 N 1s XPS 스펙트럼이다.
도 10은 도 9의 하이드라진 처리 전의 양자점(GQD) 및 처리 후 양자점 (Hy-GQD)각각의 XPS peak 들의 상대적인 세기들을 종합한 그래프이다.
도 11은 C K-edge와 N K-edge의 전자손실스펙트럼(EELS)이다.
도 12는 질소 원자 도핑 전과 후의 라만 스펙트럼이다.
도 13은 질소 원자가 도핑된 그래핀 양자점의 에너지 띠이다.
도 14는 질소 원자가 도핑된 그래핀 양자점의 광흡수 스펙트럼이다.
도 15는 질소 원자가 도핑된 그래핀 양자점의 광루미네센스 그래프이다.
도 16은 질소 원자가 도핑된 그래핀 양자점의 광루미네센스 수명 그래프이다.
1 is an electron microscope image of graphene quantum dots before the hydrazine treatment.
2 is an electron microscope image of the graphene quantum dot after the hydrazine treatment.
3 is a high-resolution electron microscope image of a graphene quantum dot that is typically observed.
4 is a line profile corresponding to the white line in Fig.
5 is a magnitude distribution graph of quantum dots (GQDs) before nitrogen atom doping.
6 is a magnitude distribution graph of quantum dots (Hy-GQDs) after nitrogen atom doping.
7 is a C 1s XPS spectrum of a quantum dot (GQD) before nitrogen atom doping and a quantum dot (Hy-GQD) doped with nitrogen atoms.
FIG. 8 is a graph summarizing the relative intensities of the XPS peaks of the quantum dot (GQD) before the nitrogen atom doping and the nitrogen atom-doped quantum dot (Hy-GQD) in FIG.
9 is a N1s XPS spectrum of a quantum dot (GQD) before the hydrazine treatment and a quantum dot (Hy-GQD) after the hydrazine treatment.
10 is a graph summarizing the relative intensities of the XPS peaks of the quantum dot (GQD) and the processed quantum dot (Hy-GQD) before the hydrazine treatment in FIG.
11 is an electron loss spectrum (EELS) of C K-edge and N K-edge.
12 is a Raman spectrum before and after doping with nitrogen atoms.
13 is an energy band of a graphene quantum dot doped with nitrogen atoms.
14 is a light absorption spectrum of graphene quantum dots doped with nitrogen atoms.
15 is a photoluminescence graph of graphene quantum dots doped with nitrogen atoms.
16 is a graph of the optical luminescence lifetime of graphene quantum dots doped with nitrogen atoms.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들, 실험예들을 참조하면 명확해질 것이다. Advantages and features of a manufacturing method according to an embodiment of the present invention and a method of achieving them will be made clear with reference to the embodiments and experiment examples described in detail below with reference to the accompanying drawings.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

<< 실시예Example : N원자 도핑  : N atom doping 그래핀Grapina 양자점의Quantum dot 제작> Production>

베어 Bear 그래핀Grapina 양자점의Quantum dot 제작 making

베어 그래핀 양자점은 본 발명이 속하는 기술분야에서 알려진 다양한 방법에 의해서 제작할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 베어 그래핀 양자점은 예를 들어 휴머 법(Hummers methods)을 이용하여 제작할 수 있다.Bearing graphene quantum dots can be manufactured by various methods known in the art to which the present invention belongs. The bare graphene quantum dot according to an exemplary embodiment of the present invention can be manufactured using, for example, Hummers methods.

구체적으로 설명하면, 본 발명의 예시적인 베어 그래핀 양자점은 그라파이트(graphite)로부터 그래핀 산화물 시트(sheet)를 제조하고 그래핀 산화물을 다양한 화합물에서 반복적인 산화 및 환원, 그리고 열처리하는 화학적 과정을 거쳐서 분산액을 만든 이후, 분산액을 기판에 코팅하여 다양한 크기의 양자점(graphene quantum dots, GQDs)을 제작할 수 있다. 추가적으로, 나노 기공의 멤브레인(membrane)을 이용하여 필터링(filtering)함으로써 균일한 크기 및 형태를 갖는 그래핀 양자점을 제작할 수 있다 (더욱 자세한 내용은 ACS Nano 6, 8203 (2012) 참고). Specifically, exemplary bare graphene quantum dots of the present invention are prepared by preparing a graphene oxide sheet from graphite and chemically processing the graphene oxide by repeated oxidation and reduction and heat treatment of the various compounds After making the dispersion, graphene quantum dots (GQDs) of various sizes can be prepared by coating the dispersion on a substrate. In addition, a graphene quantum dot having a uniform size and shape can be fabricated by filtering using a nanopore membrane (see ACS Nano 6, 8203 (2012) for further details).

본 출원의 발명자들은 휴머 법을 이용하여 5 nm 크기의 베어 그래핀 양자점을 제작하였다. The inventors of the present application fabricated a 5-nm-sized bare graphene quantum dot using a humming method.

N원자 도핑 N atom doping 그래핀Grapina 양자점의Quantum dot 제작 making

본 발명의 예시적인 N원자 도핑 그래핀 양자점은, 베어 그래핀 양자점에 질소 함유 화합물을 처리하고 결과물을 열처리함으로써 제작할 수 있다.Exemplary N atom doping graphene quantum dots of the present invention can be fabricated by treating the bare graphene quantum dot with a nitrogen containing compound and heat treating the resultant.

질소(N) 원자는 탄소 원자와 크기가 비슷하고, 다섯 개의 최외각 전자를 가지고 있으므로 탄소원자와 쉽게 결합할 수 있다. 베어 그래핀 양자점들은 5 내지 10%의 산소 결합 그룹(Oxygen functional groups, OFGs)을 포함하고 있기 때문에 화학적인 방법에 의하여 제작된 그래핀 산화물에서처럼 그래핀 양자점들의 산소 결합 그룹들은 질소 함유 화합물에 노출함으로써 보다 더 쉽게 제거될 수 있다. 동시에, 양자점에는 N 원자가 남게 된다. 산소 결합 그룹은 C-O, C=O, O-C=O 일 수 있다.Nitrogen (N) atoms are similar in size to carbon atoms and have five outermost electrons, so they can easily bond to carbon atoms. Since the bare graphene quantum dots contain 5 to 10% of Oxygen functional groups (OFGs), the oxygen bond groups of the graphene quanta are exposed to the nitrogen containing compound, as in the graphene oxide produced by the chemical method Can be removed more easily. At the same time, N atoms remain in the quantum dots. The oxygen bonding group may be C-O, C = O, O-C = O.

상기 질소 함유 화합물은, 폴리파이롤((C4H2NH)n), 폴리아닐린 (polyaniline), 멜라민(C3H6N6), PDI(N,N'-bis(2,6-diisopropyphenyl)-3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide), Polyacrylonitrile(PAN), 요소(CO(NH2)2), 암모니아(NH3) 및 하이드라진(N2H4)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물일 수 있다.The nitrogen-containing compounds, poly pie roll ((C 4 H 2 NH) n), polyaniline (polyaniline), melamine (C 3 H 6 N 6) , PDI (N, N'-bis (2,6-diisopropyphenyl) At least one compound selected from the group consisting of polyacrylonitrile (PAN), urea (CO (NH 2 ) 2 ), ammonia (NH 3 ) and hydrazine (N 2 H 4 ) Lt; / RTI &gt;

특히, 하이드라진은 다량의 N원자를 포함하고 있기 때문에 그래핀 양자점이 하이드라진에 노출됨으로써 탄소는 N 원자와 쉽게 결합이 가능할 것이다. In particular, since hydrazine contains a large amount of N atoms, carbon can be easily bound to N atoms by exposing the graphene quantum dots to hydrazine.

예시적으로, 베어 그래핀 양자점을 탈 이온수와 혼합하여 베어 그래핀 양자점 수용액을 제조하고 상기 베어 그래핀 양자점 수용액에 하이드라진을 첨가하여 하이드라진 혼합 용액을 제조한 후 상기 하이드라진 혼합 용액을 30~180℃의 온도에서 10~24 시간 동안 반응시킴으로써, N원자 도핑 그래핀 양자점을 제작할 수 있다. 하이드라진의 농도와 반응온도 및 반응시간을 조절함으로써 최종적으로 제작된 그래핀 양자점 안의 N 원자의 도핑농도를 조절할 수 있다. 상기 하이드라진은 하이드라진 제1 수화물(hydrazine monohydrate)일 수 있다.Illustratively, a hydrazine mixed solution is prepared by mixing a bare graphene quantum dot with deionized water to prepare an aqueous solution of a bare graphene quantum dot solution, adding hydrazine to the aqueous solution of the bare graphene quantum dots, and then mixing the hydrazine mixed solution at 30 to 180 ° C N-atom doped graphene quantum dots can be prepared by reacting at a temperature of 10 to 24 hours. By adjusting the hydrazine concentration, the reaction temperature and the reaction time, the doping concentration of the N atom in the final graphene quantum dot can be controlled. The hydrazine may be hydrazine monohydrate.

본 출원의 발명자들은, 5 nm 크기의 베어 그래핀 양자점을 10 ml 순수 물과 혼합하고 0.5 ml의 하이드라진 제1 수화물(hydrazine monohydrate, 65% N2H4)를 첨가한 후 오븐에서 80℃의 온도로 10 시간동안 반응시킴으로써 N 원자가 도핑된 그래핀 양자점을 제작하였다.The inventors of the present application found that a 5-nm-sized bare graphene quantum dot was mixed with 10 ml of pure water and added with 0.5 ml of hydrazine monohydrate (65% N 2 H 4 ) For 10 hours to prepare graphene quantum dots doped with N atoms.

다만, 베어 그래핀 양자점의 크기는 5 nm로 제한되는 것은 아님은 물론이고, 본 발명의 질소 원자 도핑방법은 다양한 크기의 모든 그래핀 양자점에도 적용이 가능할 것이다. However, the size of the bare graphene quantum dot is not limited to 5 nm, and the nitrogen atom doping method of the present invention can be applied to all graphene quantum dots of various sizes.

<< 실험예Experimental Example >>

전술한 제조방법에 따라서 제작한 5 nm 크기의 베어 그래핀 양자점에 N 원자가 성공적으로 도핑되었음을 다양한 측정방법을 통해서 구조적 및 광학적으로 검증하였다. We successfully and structurally and optically verified the successful doping of N atoms in the 5 nm sized bare graphene quantum dots fabricated according to the fabrication method described above.

하이드라진Hydrazine 처리 전과 후의  Before and after treatment 그래핀Grapina 양자점의Quantum dot 전자 현미경 이미지  Electron microscope image

도 1 및 도 2는 하이드라진 처리 전과 후의 양자점의 전자현미경 이미지이다. 도 3은 전형적으로 관찰되는 양자점의 고분해능 전자현미경 이미지이며, 도 4는 도 3의 흰색선에 대응되는 선 프로파일(Line profile)이다. 1 and 2 are electron microscope images of the quantum dots before and after the hydrazine treatment. Fig. 3 is a high-resolution electron microscope image of a quantum dot typically observed, and Fig. 4 is a line profile corresponding to the white line in Fig.

전자현미경 및 선 프로파일의 결과에서처럼 하이드라진 처리 전과 후에도 그래핀 양자점은 높은 단결정 특성을 나타낸다. As in the results of electron microscopy and line profiles, graphene quantum dots exhibit high single crystal properties before and after hydrazine treatment.

그래핀 양자점에서 N은 Graphitic N, pyridinic N, pyrrolic N과 같은 형태로 탄소들과 결합을 하고 있다. 평면 상에서, Graphitic N은 그래핀 양자점의 중앙영역에 존재하는 N 원자로 이해할 수 있고, pyridinic N은 그래핀 양자점의 가장자리 영역에 존재하는 N 원자로 이해할 수 있으며, pyrrolic N은 상기 중앙영역과 가장자리 영역의 사이에 존재하는 N 원자로 이해할 수 있을 것이다. In graphene quantum dots, N bonds with carbons in the form of Graphitic N, pyridinic N, and pyrrolic N. On the plane, Graphitic N is understood as an N atom existing in the central region of the graphene quantum dot, and pyridinic N is understood as an N atom existing in the edge region of the graphene quantum dot, and pyrrolic N is located between the central region and the edge region As the N atom present in the nucleus.

도핑된 N 원자는 그래핀 양자점의 평면상 표면 위나 안쪽의 중앙 영역 보다는 가장자리 영역에 위치할 것으로 기대되며 N 원자를 도핑함으로써 그래핀 양자점의 물리적 및 전기적 특성을 조절할 수 있다.The doped N atoms are expected to be located on the planar surface of the graphene quantum dot or in the edge region rather than the inner central region, and the physical and electrical properties of the graphene quantum dot can be controlled by doping N atoms.

도 5는 질소 원자 도핑 전의 양자점들(GQDs)의 크기 분포 그래프이다. 도 6은 도핑 후에 양자점들(Hy-GQDs)의 크기 분포 그래프이다. 5 is a magnitude distribution graph of quantum dots (GQDs) before nitrogen atom doping. 6 is a magnitude distribution graph of quantum dots (Hy-GQDs) after doping.

전자현미경 결과에서처럼 그래핀 양자점들은 다양한 크기 분포가 관찰되며, 이를 분석하여 도 5 및 도 6에 질소 원자 도핑 전과 후에 양자점들(각각 GQDs 및 Hy-GQDs로 명명)의 크기 분포를 나타내었다.As shown in the electron microscopic results, graphene quantum dots have various size distributions, and the size distributions of the quantum dots before and after the nitrogen atom doping (denoted as GQDs and Hy-GQDs, respectively) in FIGS. 5 and 6 were analyzed.

히스토그램의 분석결과 질소 원자 도핑 전 양자점의 평균크기는 5.03 ± 0.05 nm이며 도핑 후에 5.55 ± 0.05 nm로서 대략 0.5 nm정도의 평균 크기가 증가하였다. Histogram analysis showed that the average size of the quantum dots prior to nitrogen atom doping was 5.03 ± 0.05 nm and 5.55 ± 0.05 nm after doping.

이는 하이드라진 처리 후 도핑된 N이 그래핀 양자점의 가장자리에 위치했음을 의미한다. This means that the doped N after the hydrazine treatment was located at the edge of the graphene quantum dot.

X-X- rayray PhotoelectronPhotoelectron SpectroscopySpectroscopy

도 7은 질소 원자 도핑 전의 양자점(GQD) 및 도핑된 양자점(Hy-GQD)의 C 1s XPS 스펙트럼이다. 도 8은 각각의 XPS 피크(peak)들의 상대적인 세기들을 종합한 그래프이다.FIG. 7 is a C 1s XPS spectrum of a quantum dot (GQD) before doping with nitrogen atoms and a doped quantum dot (Hy-GQD). 8 is a graph summarizing the relative intensities of respective XPS peaks.

C 1s XPS 스펙트럼들은 가우시안 맞춤(Gaussian fitting)법에 의하여 284.9, 285.6, 286.5, 288.9 eV 등의 위치에서 4개의 XPS peak 들로 분리 할 수 있는데 각각 C-C/C=C, C-O, C=O, O-C=O 결합에 대응되는 XPS peak 들이다. C 1s XPS spectra can be separated into four XPS peaks at positions of 284.9, 285.6, 286.5, and 288.9 eV by Gaussian fitting method, which are respectively CC / C = C, CO, C = Lt; RTI ID = 0.0 &gt; = O &lt; / RTI &gt;

여기서 C-C/C=C (sp2 C)은 탄소간의 결합 XPS peak 이며 C-O, C=O, O-C=O은 산소 작용기(oxygen-functional groups (OFGs))와 관련된 XPS peak로서 하이드라진 전과 후에 모두 관찰된다. In this case, CC / C = C (sp 2 C) is the XPS peak of the bond between carbons and CO, C═O and OC═O are XPS peaks related to oxygen-functional groups (OFGs) .

하이드라진 처리 후에 산소 작용기들의 XPS 세기는 모두 감소하고 sp2 C 점유율은 약 38%에서 70%로 증가한다. 즉 그래핀 양자점에서 하이드라진 처리에 의하여 산소 작용기들이 환원되었음을 의미한다. After hydrazine treatment, the XPS intensity of the oxygen functional groups decreases and the sp 2 C occupancy increases from about 38% to 70%. Which means that oxygen functional groups have been reduced by hydrazine treatment in graphene quantum dots.

N 1s N 1s XPSXPS 스펙트럼 spectrum

도 9는 하이드라진 처리 전의 양자점(GQD) 및 처리 후 양자점 (Hy-GQD)의 N 1s XPS 스펙트럼이다. 도 10은 도 9의 하이드라진 처리 전의 양자점(GQD) 및 처리 후 양자점(Hy-GQD) 각각의 XPS peak 들의 상대적인 세기들을 종합한 그래프이다.9 is a N1s XPS spectrum of a quantum dot (GQD) before the hydrazine treatment and a quantum dot (Hy-GQD) after the hydrazine treatment. 10 is a graph summarizing the relative intensities of the XPS peaks of the quantum dot (GQD) and the processed quantum dot (Hy-GQD) before the hydrazine treatment in FIG.

하이드라진 처리 전과 후에 그래핀 양자점에 포함되어 있는 N 원자의 상태를 분석하고자 N 1s의 XPS 스펙트럼을 자세히 분석하였다. The XPS spectra of N 1s were analyzed in detail to analyze the state of N atoms contained in the graphene quantum dots before and after the hydrazine treatment.

도 9에서와 같이 그래핀 양자점들에서는 401.6 eV (pyridinic N), 400.5 eV (pyrrolic N), 398.4 eV (graphite N) 등 3개의 XPS peak가 관찰되며, 각각을 N1, N2, N3로 명명하였다. As shown in FIG. 9, three XPS peaks were observed in the graphene quantum dots such as 401.6 eV (pyridinic N), 400.5 eV (pyrrolic N), and 398.4 eV (graphite N), which were named N1, N2 and N3, respectively.

그래핀 양자점의 하이드라진 처리 전과 후 N1, N2, N3의 상대적인 XPS 세기를 도 10에 나타내었다. Relative XPS intensities of N1, N2 and N3 before and after the hydrazine treatment of graphene quantum dots are shown in FIG.

도핑 전에는 pyrrolic N 성분이 우세하며, 도핑 후에는 pyridinic N 성분이 우세하다. 또한 그래핀 Graphitic N은 그래핀의 육각형 링안에서 탄소의 한 자리를 치환한 형태로서 하이드라진 전과 후에도 점유율은 변하지 않는다. Before doping, the pyrrolic N component predominates, and after doping the pyridinic N component predominates. Graphitic N graphene substitutes one position of carbon in hexagonal ring of graphene, and its share does not change before and after hydrazine.

XPS 결과로서 하이드라진에 의하여 도핑된 N 원자는 그래핀 양자점의 가장자리에 위치하며 대부분이 pyridinic N이라는 것을 알 수 있다. As a result of the XPS, the hydrazine-doped N atom is located at the edge of the graphene quantum dot and most of it is pyridinic N.

전자 에너지 손실 스펙트럼(Electronic Energy Loss Spectrum ( EELSEELS ))

도 11은 C K-edge와 N K-edge의 전자손실스펙트럼 (EELS)이다. 11 is an electron loss spectrum (EELS) of C K-edge and N K-edge.

질소 원자 도핑을 하기 전이나 후에도 EELS 스펙트럼에서 C과 관련된 EELS세기가 가장 강하게 나타나는데 이는 그래핀 양자점을 구성하고 있는 원소 중에서 C가 가장 많음을 뜻한다. EELS intensity related to C is most strongly observed in the EELS spectrum before and after nitrogen atom doping, which means that C is the most among the elements constituting the graphene quantum dot.

또한 C K-edge영역에서는 두 개의 EELS peak 들이(279.4 eV, 290.8 eV) 관찰된다. 279.4 eV 에서의 peak는 C의 1s 준위에서 π* 준위로 전이한 전자 (1s →π* )들 때문이며, 290.8 eV에서의 peak는 C의 1s에서 σ* 준위로 전이한 전자 (1s →σ* )들 때문에 나타난다. Two EELS peaks (279.4 eV, 290.8 eV) are observed in the C K-edge region. The peak at 279.4 eV is due to electrons (1s → π *) that transition to the π * level at the 1s level of C, while the peak at 290.8 eV is the electron (1s → σ *) that transitions from 1s to C * .

N과 관련된 EELS peak (N K-edge region)는 도핑 후에만 관찰된다. C K-edge 영역과 유사하게 두 개의 EELS peak가 나타나는데 400.6 eV와 409.6 eV peak는 각각 C-N/C=N의 1s →π* 와 1s →σ* 때문에 나타난다. 도핑전이라도 양자점 제작과정 중에서 N이 포함될 수 있음에도 불구하고 도핑전에 N과 관련된 EELS peak가 관찰되지 않은 것은 EELS의 분해능(수십 nm 이하)을 고려할 때 한 개의 양자점에 포함되어 있는 N의 양이 매우 적기때문에 N을 검출할 수 없는 것으로 판단된다. The NEL-related EELS peak (NK-edge region) is observed only after doping. Two EELS peaks appear similar to the C K-edge region, with 400.6 eV and 409.6 eV peaks appearing due to 1s → π * and 1s → σ * of C-N / C = N, respectively. The reason why the N-related EELS peak was not observed before the doping although the N may be included in the quantum dot manufacturing process even before the doping is considered is that the amount of N contained in one quantum dot is very small considering the resolution of EELS It is determined that N can not be detected.

도핑 후에는 N과 관련된 EELS peak이 분명하게 관찰되는 것으로 보아 하이드라진 처리에 의하여 상대적으로 매우 많은 양의 N이 양자점에 도핑되었음을 알 수 있다. Since the EELS peak associated with N is clearly observed after doping, a relatively large amount of N is doped into the quantum dots by the hydrazine treatment.

라만 스펙트럼Raman Spectrum

도 12는 도핑 전과 후의 라만 스펙트럼이다. 12 is a Raman spectrum before and after doping.

베어 그래핀 양자점에서 ~1360 cm- 1와 ~1594 cm-1의 라만 peak는 D와 G peak로 명명되어지며, 각각은 결함 (또는 가장자리) 및 결정성에 대응된다. D와 G peak의 라만 세기의 비 (ID/IG)는 그래핀 양자점에서의 결함의 정도를 나타낸다.Bear yes ~ 1360 cm from the pin QD-Raman peak of 1 and ~ 1594 cm -1 is called D and G becomes the peak, each of which is corresponding gender defect (or edge) and crystal. The ratio of Raman intensity of D and G peak (I D / I G ) represents the degree of defect in the graphene quantum dot.

질소 원자 도핑 전의 ID/IG는 0.98이고, 하이드라진 처리 후 0.93으로 0.05 만큼 감소한다. 이는 N이 베어 그래핀 양자점의 가장자리에서 탄소의 빈자리에 들어가 완전한 육각형 구조를 만들기 때문에 총 결함의 비가 감소했다는 것을 뜻한다. I D / I G before nitrogen atom doping is 0.98 and decreases by 0.93 to 0.93 after hydrazine treatment. This means that the ratio of total defects has decreased because N enters the vacancies of carbon at the edge of the bear graphene quantum dot to form a complete hexagonal structure.

또한 라만 스펙트럼에서 도핑 전 후에 D peak의 위치는 큰 변화가 없는 반면에 G peak는 1594에서 ~1586 cm- 1으로 적색천이하였다. 일반적으로 그래핀에서 G peak의 변화는 도핑의 형태를 반영하여, 적색천이는 n 형, 청색천이는 p 형 그래핀이 되었음을 의미한다. In Raman spectra, the peak of D peak did not change much before doping, while the peak of G peak shifted from 1594 to ~ 1586 cm - 1 . Generally, the change in G peak in graphene reflects the type of doping, indicating that the red transition is the n-type and the blue transition is the p-type graphene.

즉, 하이드라진 처리에 의하여 생성된 질소 불순물에 의해서 n형 그래핀 양자점이 되었음을 알 수 있다. That is, it can be seen that the n-type graphene quantum dots are formed by the nitrogen impurities generated by the hydrazine treatment.

N 원자가 N valence 도핑된Doped 그래핀Grapina 양자점의Quantum dot 에너지 띠 및 광 흡수 스펙트럼 Energy band and light absorption spectrum

도 13은 N 원자가 도핑된 그래핀 양자점의 에너지 띠이다. 도 14는 N 원자가 도핑된 그래핀 양자점의 광흡수 스펙트럼이다.13 is an energy band of a graphene quantum dot doped with N atoms. 14 is a light absorption spectrum of a graphene quantum dot doped with N atoms.

반도체에서 불순물 주입에 따른 도핑 준위는 가전자대와 전도대 사이에 형성되며, p형 불순물 준위는 가전자대 근처에, n형 준위는 전도대 근처에 형성된다. In the semiconductor, the doping level due to impurity implantation is formed between the valence band and the conduction band. The p-type impurity level is formed near the valence band and the n-type level is formed near the conduction band.

도 13에서처럼 그래핀 양자점의 에너지띠 구조에서 각각 가전자대 및 전도대를 의미하는 HOMO (highest occupied molecular orbital )와 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital)를 표시할 수 있는데 여기에 빛을 조사하면 HOMO와 LUMO 사이에서 전자의 전이에 의하여 HOMO와 LUMO 사이의 에너지 간격에 해당하는 흡수 및 광루미네센스 스펙트럼이 관찰된다.As shown in FIG. 13, the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) can be displayed in the energy band structure of the graphene quantum dot, respectively. The absorption and the optical luminescence spectrum corresponding to the energy gap between HOMO and LUMO are observed by the electron transition.

따라서 도 14에서 양자점의 흡수 스펙트럼 (흡수 peak는 300 nm)은 HOMO와 LUMO사이에서 일어나는 전자간의 전이에 해당된다. 양자점에 N을 도핑하게 되면 HOMO와 LUMO 사이에 새로운 불순물 준위 (N impurity level)가 생성된다. Therefore, in Fig. 14, the absorption spectrum of the quantum dot (absorption peak is 300 nm) corresponds to the transition between electrons occurring between HOMO and LUMO. When N is doped into the quantum dot, a new impurity level is generated between HOMO and LUMO.

EELS 결과에서처럼 C-N/C=N의 결합에 의하여 생성된 에너지 준위는 N π*로서 도 14에서처럼 도핑 전의 흡수 peak (300 nm)와 함께 N π*의 흡수와 관련된 새로운 흡수 peak가 354 nm에서 관찰된다. As shown in the EELS results, the energy level generated by the combination of CN / C = N is N π *, and a new absorption peak associated with the absorption of N π * is observed at 354 nm along with the absorption peak before doping (300 nm) .

여기서 라만 분석결과에서 보듯이 도핑에 의해서 그래핀 양자점이 n 형 반도체가 되기 때문에 N π* 불순물 준위는 전자를 쉽게 LUMO에 공급할 수 있는 LUMO 근처에 존재하고, 354 nm에서 관찰된 흡수 peak는 HOMO와 N π*간의 전자전이와 관련됨을 알 수 있다. Since the graphene quantum dots are n-type semiconductors as shown in the Raman analysis results, the N π * impurity level exists near the LUMO that can easily transfer electrons to the LUMO, and the absorption peak observed at 354 nm is HOMO It is related to the electron transfer between N π *.

N 원자가 N valence 도핑된Doped 그래핀Grapina 광루미네센스Optical luminescence  And 광루미네센스의Optical luminescence 수명 life span

도 15는 N 원자가 도핑된 그래핀 양자점의 광루미네센스 그래프이다. 도 16은 N 원자가 도핑된 그래핀 양자점의 광루미네센스 수명 그래프이다.15 is a graph of a luminous luminescence of graphene quantum dots doped with N atoms. 16 is a graph of the optical luminescence lifetime of graphene quantum dots doped with N atoms.

그래핀 양자점의 HOMO와 LUMO 사이에서 전이된 전자들은 다시 HOMO의 정공과 재결합(recombination)하면서 광루미네센스 (photoluminescence, PL)를 나타내어, 도 15에서처럼 418 nm에서 PL peak가 관찰된다. N 도핑 후에는 새롭게 생성된 N π* 에너지 준위에는 HOMO에서 전이된 전자들과 함께 LUMO에서 N π* 준위로 트랩(trap)된 전자들이 다시 HOMO의 정공과의 재결합 (recombination)하기 때문에 새로운 PL peak가 기대된다. The electrons transferred between the HOMO and LUMO of the graphene quantum dot recombine with HOMO holes and exhibit photoluminescence (PL), and a PL peak is observed at 418 nm as shown in FIG. After N doping, electrons trapped in LUMO with N π * level are recombined with holes in HOMO together with the electrons transferred from HOMO to the newly generated N π * energy level. Therefore, a new PL peak Is expected.

도 15에서처럼 도핑 후에 PL peak는 도핑 전과 비교하여 15 nm 적색천이 한다. 또한 도핑 후에 전자들은 LUMO에서 N 불순물 준위에 트랩된 후 정공과 재결합하기 때문에 PL 수명 (lifetime)이 도핑 전과 비교하여 도 16에서처럼 길어진다. As shown in FIG. 15, after doping, the PL peak shifts 15 nm in comparison with that before doping. Also, after doping, the electrons are trapped at the N impurity level in the LUMO and then recombined with the holes, so that the PL lifetime becomes longer as shown in Fig. 16 as compared with before doping.

이상의 결과들을 종합하면 본 발명에서는 구조적 및 발광 특성을 기반으로 하이드라진 처리에 의하여 그래핀 양자점의 가장자리에 탄소와 질소 결합을 만들 수 있으며, 이런 C-N/C=N 결합은 그래핀 양자점이 n형 반도체 성질을 가지게 할 뿐만 아니라 흡수 및 발광 에너지를 조절 할 수 있게 한다. According to the above results, carbon and nitrogen bonds can be formed at the edges of graphene quantum dots by hydrazine treatment based on the structural and luminescent characteristics. In the case of CN / C = N bonds, graphene quantum dots are n-type semiconducting But also the absorption and emission energy can be controlled.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

Claims (14)

베어(bare) 그래핀 양자점을 탈 이온수와 혼합하여 베어 그래핀 양자점 수용액을 제조하는 단계;
상기 베어 그래핀 양자점 수용액에 하이드라진(N2H4)을 첨가하여 하이드라진 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
상기 하이드라진 혼합 용액을 30~180℃의 온도에서 10~24 시간 동안 반응시키는 단계;
를 포함하는 n형 그래핀 양자점의 제조방법.
Mixing a bare graphene quantum dot with deionized water to produce a beaglephene quantum dot aqueous solution;
Adding hydrazine (N 2 H 4 ) to the aqueous solution of the bare graphene quantum dots to prepare a hydrazine mixed solution; And
Reacting the hydrazine mixed solution at a temperature of 30 to 180 ° C for 10 to 24 hours;
Lt; RTI ID = 0.0 &gt; n-type &lt; / RTI &gt; graphene quantum dot.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 하이드라진은 하이드라진 제1 수화물(hydrazine monohydrate)인 n형 그래핀 양자점의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrazine is a hydrazine monohydrate.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 베어 그래핀 양자점은 그라파이트(graphite)로부터 그래핀 산화물 시트(sheet)를 제조하고, 그래핀 산화물을 반복적으로 산화, 환원, 및 열처리하는 화학적 과정을 거쳐서 분산액을 만든 이후, 기판에 코팅하여 제작되는 n형 그래핀 양자점의 제조방법.
The method according to claim 1,
The bare graphene quantum dot is prepared by preparing a graphene oxide sheet from graphite, making a dispersion through a chemical process in which graphene oxide is repeatedly oxidized, reduced, and heat treated, and then coated on a substrate Method for producing n - type graphene quantum dot.
제 5 항에 있어서,
나노 기공의 멤브레인을 이용하여 필터링하여 크기 및 형태가 균일한 그래핀 양자점을 제작하는 n형 그래핀 양자점의 제조방법.
6. The method of claim 5,
A method for fabricating an n-type graphene quantum dot, wherein the graphene quantum dot is uniformly sized and filtered by filtering using a nanopore membrane.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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