تأثیر میزان عامل‌ نیتروژن بر رفتار نوری نقاط کوانتومی گرافن

نظری, مریم; بهاروندی, حمیدرضا; احسانی, ناصر

doi:10.30501/jamt.2025.549469.1341

تأثیر میزان عامل‌ نیتروژن بر رفتار نوری نقاط کوانتومی گرافن

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

مریم نظری ¹

حمیدرضا بهاروندی ²

ناصر احسانی ²

¹ دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

² استاد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

10.30501/jamt.2025.549469.1341

چکیده

نقاط کوانتومی گرافن نوعی نانو‌ذرات کربنی هستند که به‌دلیل برخورداری از خواص کوانتومی قابل‌تنظیم، گزینة‌ مناسبی برای کاربردهای نوری، اپتو‌الکترونیکی، حسگرهای زیستی و انرژی به‌ویژه سلول‌های خورشیدی محسوب می‌شوند. در این پژوهش این نانو‌مادة ارزشمند با استفاده از روشی راحت، سریع و آسان از آمونیوم‌هیدروکساید به‌عنوان منبع نیتروژن، عامل‌دار شده است. بدین‌منظور ابتدا میزان عامل نیتروژن در مقادیر 0، 2/0، 4 و 6 مول بر لیتر به نقاط کوانتومی گرافن اضافه شد. سپس برای ارزیابی ویژگی‌های محصول، طیف‌سنجی رامان، آنالیز FTIR، فتولومینسانسPL و جذب UV-vis انجام گرفت. همچنین ریخت‌شناسی سطح و فاصله صفحات توسط میکروسکوپ الکترونی با قدرت تفکیک بالا HRTEM بررسی شد. در نتایج FTIR، C=C و C=O وجود نقاط کوانتومی گرافن و C-N وN-H، حضور عامل‌های نیتروژن را تأیید می‌کنند. نتایج طیف‌سنجی رامان، بالا بودن مقدار ID/IG در نمونة عامل‌دار‌شده در مقایسه با نمونة پایه، به میزان حدود 20% را به‌دلیل ایجاد نقایص ساختاری تأیید می‌کند. همچنین افزایش میزان شدت جذب، حضور عوامل نیتریدی روی سطوح گرافن‌کوانتوم‌دات را نشان می‌دهد. بررسی‌های فتولومینسانس در محدودة طول‌موج‌های برانگیختگی nm320-420 نیز با تقویت تابش فلورسانس، ظهور یک پیک قوی درحدود nm500 را نشان می‌دهد. خواص نوری بهبود‌یافته نشان می‌دهد نقاط کوانتومی گرافن عامل‌دار‌شدة نیتریدی از پتانسیل بالایی به‌عنوان نانو‌حامل‌های فعال نوری در سلول‌های خورشیدی، سامانه‌های فتو‌الکترونیکی، تجهیزات بر پایه حسگرهای نوری و فناوری‌های انرژی نو، برخوردارند و می‌توانند موجب افزایش بازده و پایداری عملکرد آنها شوند.

کلیدواژه‌ها

نقاط کوانتومی گرافن

عامل نیتروژن

آمونیوم‌هیدروکساید

جذب مرئی فرابنفش

فتولومینسانس

موضوعات

کربن ( گرافیت، فولرن، نانوتیوب کربنی، گرافن، گرافن اکساید، دوده و ...)

عنوان مقاله English

The effect of Nitrogen-doped on the optical behavior of graphene quantum dots

نویسندگان English

Maryam Nazari ¹

Hamid Reza Baharvandi ²

Naser Ehsani ²

¹ PhD Student, Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University, Tehran, Iran

² Professor, Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University, Tehran, Iran

چکیده English

Graphene quantum dots are a class of carbon nanoparticles with tunable quantum properties, making them suitable for optical, non-electrical, biosensing, and energy applications, particularly in solar cells. In this study, these nanomaterials were functionalized using a simple, rapid, and convenient method with ammonium hydroxide as a nitrogen source. Nitrogen agents were added to graphene quantum dots at concentrations of 0, 2, 4, and 6 mol/L. To characterize the products, Raman spectroscopy, FTIR analysis, photoluminescence (PL), and UV–vis absorption measurements were performed. Surface morphology and interlayer spacing were examined using high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). FTIR results confirmed the presence of C–C and C–O bonds in the graphene quantum dots and indicated the formation of C–N and N–H bonds associated with nitrogen incorporation. Raman spectroscopy showed a relatively high ID/IG ratio in the functionalized samples, approximately 20% higher than in the pristine sample, reflecting the creation of structural defects. The increase in UV–vis absorption intensity also suggests the presence of nitride-like species on the surfaces of the graphene quantum dots. Photoluminescence studies in the excitation wavelength range of 320–420 nm revealed a strong emission peak around 500 nm, accompanied by enhanced fluorescence. These improved optical properties indicate that nitride-functionalized graphene quantum dots are promising nanoscale carriers for solar cells, optoelectronic devices, grating-sensor-based systems, and energy technologies, with the potential to enhance both efficiency and stability.

کلیدواژه‌ها English

Graphene Quantum Dots,Nitrogen Doping,Ammonium Hydroxide,UV&ndash

Vis Absorption, Photoluminescence

1. Afsharipour, R., Dadfarnia, S., & Haji Shabani, A. M. (2022). Chemiluminescence determination of dopamine using N, P-graphene quantum dots after preconcentration on magnetic oxidized nanocellulose modified with graphene quantum dots. Microchimica Acta, 189(5), 192. https://doi.org/10.1007/s00604-022-05251-3

2. Bacon, M., Bradley, S. J., & Nann, T. (2014). Graphene quantum dots. Particle & Particle Systems Characterization, 31(4), 415-428. https://doi.org/10.1002/ppsc.201300252

3. Badiei, E., Sangpour, P., Bagheri, M., & Pazouki, M. (2014). Graphene oxide antibacterial sheets: Synthesis and characterization. Int. J. Eng. Trans. C, 27, 1803-1808. 10.5829/idosi.ije.2014.27.12c.01

4. Chen, W., Lv, G., Hu, W., Li, D., Chen, S., & Dai, Z. (2018). Synthesis and applications of graphene quantum dots: a review. Nanotechnology Reviews, 7(2), 157-185. https://doi.org/10.1515/ntrev-2017-0199

5. Chung, S., Revia, R. A., & Zhang, M. (2021). Graphene quantum dots and their applications in bioimaging, biosensing, and therapy. Advanced Materials, 33(22), 190436. https://doi.org/10.1002/adma.201904362

6. Durodola, S. S., Adekunle, A. S., Olasunkanmi, L. O., Oyekunle, J. A., Ore, O. T., & Oluwafemi, S. O. (2022). A review on graphene quantum dots for electrochemical detection of emerging pollutants. Journal of Fluorescence, 32(6), 2223-2236. https://doi.org/10.1007/s10895-022-03018-w

7. Hasan, M. T., Gonzalez-Rodriguez, R., Ryan, C., Pota, K., Green, K., Coffer, J. L., & Naumov, A. V. (2019). Nitrogen-doped graphene quantum dots: Optical properties modification and photovoltaic applications. Nano Research, 12(5), 1041-1047. https://doi.org/10.1007/s12274-019-2337-4

8. Kaur, M., Kaur, M., & Sharma, V. K. (2018). Nitrogen-doped graphene and graphene quantum dots: A review on synthesis and applications in energy, sensors and environment. Advances in colloid and interface science, 259, 44-64. https://doi.org/10.1016/j.cis.2018.07.001

9. Khan, F., & Kim, J. H. (2019). Emission-wavelength-dependent photoluminescence decay lifetime of N-functionalized graphene quantum dot downconverters: Impact on conversion efficiency of Cu (In, Ga) Se₂ solar cells. Scientific reports, 9(1), 10803. https://doi.org/10.1038/s41598-019-47068-w

10. Lee, S. Y., Kwon, M., Raja, I. S., Molkenova, A., Han, D.-W., & Kim, K. S. (2022). Graphene-based nanomaterials for biomedical imaging. In Multifaceted Biomedical Applications of Graphene (pp. 125-148): Singapore: Springer Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-4923-3_7

11. Li, L., Li, L., Wang, C., Liu, K., Zhu, R., Qiang, H., & Lin, Y. (2015). Synthesis of nitrogen-doped and amino acid-functionalized graphene quantum dots from glycine, and their application to the fluorometric determination of ferric ion. Microchimica Acta, 182(3), 763-770. https://doi.org/10.1007/s00604-014-1383-6

12. Li, X., Rui, M., Song, J., Shen, Z., & Zeng, H. (2015). Carbon and graphene quantum dots for optoelectronic and energy devices: a review. Advanced Functional Materials, 25(31), 4929-4947. https://doi.org/10.1002/adfm.201501250

13. Luo, Y., Li, M., Sun, L., Xu, Y., Hu, G., Tang, T., . . . Wang, L. (2018). High fluorescent sulfur regulating graphene quantum dots with tunable photoluminescence properties. Journal of colloid and interface science, 529, 205-213. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.06.016

14. Moniri Javadhesari, S., Koohi, M., & Jabraili, M. (2022). Nanomaterials: Applications in regeneration of damaged tissues. Advanced Ceramics Progress, 8(4), 1-14. https://doi.org/10.30501/acp.2022.356039.1100

15. Pillar-Little, T., & Kim, D. Y. (2017). Differentiating the impact of nitrogen chemical states on optical properties of nitrogen-doped graphene quantum dots. RSC Advances, 7(76), 48263-48267. https://doi.org/10.1039/C7RA09252K

16. Qu, D., Zheng, M., Zhang, L., Zhao, H., Xie, Z., Jing, X. Sun, Z. (2014). Formation mechanism and optimization of highly luminescent N-doped graphene quantum dots. Scientific reports, 4(1), 5294. https://doi.org/10.1038/srep05294

17. Ranjbar Navazi, Z., Nemati, A., Akbari, H., & Davaran, S. (2017). Functionalized InP/ZnS Quantum Dots Synthesis for Applications in Drug Delivery Systems. Journal of Advanced Materials and Technologies, 6(2), 55-63 https://doi.org/10.30501/jamt.2017.70363

18. Sadegh Hassani, S., & Samiee, L. (2021). Green Synthesis of Heteroatom Doped Graphene from Natural and Chemical Precursors for Oxygen Reduction Reaction. Journal of Renewable Energy and Environment, 8(4), 1-11. https://doi.org/10.30501/jree.2021.255422.1157

19. Tian, P., Tang, L., Teng, K., & Lau, S. (2018). Graphene quantum dots from chemistry to applications. Materials today chemistry, 10, 221-258. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2018.09.007

20. Wang, J., Cao, S., Ding, Y., Ma, F., Lu, W., & Sun, M. (2016). Theoretical investigations of optical origins of fluorescent graphene quantum dots. Scientific reports, 6(1), 24850. https://doi.org/10.1038/srep24850

21. Wu, X., & Zhao, J. X. (2015). Fabrication of highly fluorescent graphene quantum dots using L-glutamic acid for in vitro/in vivo imaging and sensing. Proceedings of the North Dakota Academy of Science, 69, 27A-27A. https://link.gale.com/apps/doc/A434223475/AONE?u=anon~9dac5e5f&sid=googleScholar&xid=20f6ca4c

22. Xu, X., Gao, F., Bai, X., Liu, F., Kong, W., & Li, M. (2017). Tuning the photoluminescence of graphene quantum dots by photochemical doping with nitrogen. Materials, 10(11), 1328. https://doi.org/10.3390/ma10111328

23. Zheng, P., & Wu, N. (2017). Fluorescence and sensing applications of graphene oxide and graphene quantum dots: a review. Chemistry–An Asian Journal, 12(18), 2343-2353. https://doi.org/10.1002/asia.201700814

24. Zhang, S., Li, Y., Song, H., Chen, X., Zhou, J., Hong, S., & Huang, M. (2016). Graphene quantum dots as the electrolyte for solid state supercapacitors. Scientific reports, 6(1), 19292. https://doi.org/10.1038/srep19292

25. Zhang, T., Li, W., Huang, K., Guo, H., Li, Z., Fang, Y., ... & Wu, J. (2021). Regulation of functional groups on graphene quantum dots directs selective CO2 to CH4 conversion. Nature communications, 12(1), 5265. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25640-1

26. Zhang, Y. P., Ma, J. M., Yang, Y. S., Ru, J. X., Liu, X. Y., Ma, Y., & Guo, H.-C. (2019). Synthesis of nitrogen-doped graphene quantum dots (N-GQDs) from marigold for detection of Fe3+ ion and bioimaging. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 217, 60-67. https://doi.org/10.1016/j.saa.2019.03.044