伽马辐照对氧化石墨烯的影响及其剂量依赖性特性

《Radiation Physics and Chemistry》：Effect of gamma irradiation and dose-dependent characteristics of graphene oxide

石墨烯氧化物（GO）经60Co γ射线辐照后，其组成、结构和非线性光学性质发生显著变化。研究采用XRD、FT-IR、Raman、FE-SEM和Z-scan等技术，发现20-90 kGy剂量下GO层间距增大（7.6-8.2 ?），边缘弯曲收缩，拉曼特征峰强度变化揭示缺陷形成与石墨化竞争，非线性折射率n2在-3.97至-8.86×10?1? cm2/W间呈现自聚焦效应。证实γ辐照可有效调控GO的非线性光学响应。

　　

T. Tohidi|S. Tohidi|K. Jamshidi-Galeh|A. Fatemi

伊朗德黑兰，核科学技术研究所（NSTRI）辐射应用研究学院，西北研究综合体（Bonab）

摘要

本研究探讨了伽马射线辐照氧化石墨烯（GO）的组成和结构变化。在空气环境中，分别使用20、50、70和90 kGy的伽马辐照剂量对GO进行处理。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、光致发光、紫外-可见光（UV–Vis）光谱、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、热重分析（TGA）、拉曼光谱和Z扫描技术研究了辐照样品的组成、结构和非线性光学性质。XRD分析证实了GO在伽马辐照下的剥离现象，而FT-IR和TGA结果仅显示出微小变化。拉曼光谱表明，缺陷形成与GO的石墨化过程相互竞争，这取决于吸收的剂量。FE-SEM分析结果显示，在0-90 kGy的辐照剂量范围内，GO的边缘发生弯曲和收缩。利用Z扫描技术测量了未辐照和经过四次伽马辐照样品的非线性响应。n₂值介于-3.97至-8.86×10^-10 cm²/W之间，表明存在自聚焦效应。研究结果表明，伽马辐照可以有效改变材料的非线性光学响应。

引言

基于石墨烯的材料因其独特的机械性能、高导电性、柔韧性和高表面积与体积比而被广泛应用于各种领域[1, 2, 3]。这些材料的应用主要取决于它们的化学和物理性质。近年来，伽马辐照被认为是一种清洁且简单的方法，可以改善基于石墨烯材料的物理和化学性质[4, 5]。辐射作用导致基于石墨烯的材料在光学、电学和纳米结构方面的变化，使其适用于传感器、光电器件、辐射检测和剂量测量等应用[6, 7, 8, 9, 10]。然而，仅有少数研究关注伽马射线对基于石墨烯的材料结构和电子性质的影响。

伽马射线可以通过多种机制与材料相互作用[11, 12]，其中最重要的三种机制是：对产生、康普顿散射和光电效应[13]。伽马辐照的效果很大程度上取决于射线的能量、辐照介质和材料类型[14, 15, 16, 17, 18, 19]。高能电离辐射与基于石墨烯的材料相互作用时，可以导致原子位移（撞击效应）、晶体结构改变、二次电子和光子发射、键断裂或引起电离和激发。对氧化石墨烯（GO）等基于石墨烯的材料进行伽马辐照会引入原子缺陷[20]。多项研究探讨了电离辐射对基于石墨烯的材料性质的影响[21, 22, 23, 24]。Ansón-Casaos等人[22]研究了伽马辐射对少层石墨烯材料的影响，并观察到辐照过程中氧原子在介质和碳晶格之间的转移；Funaro等人[25]研究了6-MeV光子束对垂直排列的石墨烯和多壁碳纳米管的剂量测量影响；Kashid等人[26]使用拉曼光谱研究了高达22.7 kGy的伽马辐照对石墨烯的影响。尽管有这些研究，但关于伽马辐照对基于石墨烯的材料（如GO）影响的全面理解尚未在不同应用中得到充分证实。此外，文献中对辐照后GO的非线性光学性质研究还不够深入。本研究利用XRD、FE-SEM、FT-IR、UV–Vis光谱、光致发光、TGA、拉曼光谱和Z扫描技术，研究了0–90 kGy剂量范围内伽马辐照引起的结构和组成变化。

为了更好地理解我们的方法，将伽马辐照与其他改性技术进行比较是有意义的。紫外线（UV）或电子束辐照主要影响材料表面，而伽马射线则能深入均匀地穿透材料内部，且不会造成显著的热损伤[27, 28, 29]。这一特性特别适用于处理粉末样品以实现均匀的功能化。虽然之前的研究已经探讨了伽马辐照对GO的结构影响，但其非线性光学性质的剂量依赖性变化尚未得到充分研究。本研究首次系统地关联了不同伽马剂量（0-90 kGy）引起的结构、组成和形态变化与非线性折射率（n₂）的非单调行为。这一研究为调节GO的光学响应以适应特定光子应用提供了潜在途径。

材料制备

所使用的GO粉末纯度约为99%，平均层数为6至10层，比表面积为100至300 m² g^-1，厚度为3.4至7 nm，密度为1 g cm^-3，横向尺寸为10至50 μm，化学组成为C约92.7%、O约7.3%。这些粉末由US Nano Inc.提供。随后，称取100 mg的纳米粉末分别放入塑料容器中，进行伽马辐照及后续分析。

伽马辐照与分析

塑料容器中的粉末接受了伽马辐照

结果与讨论

图1(a)显示了0-90 kGy剂量范围内GO粉末的XRD光谱。如图所示，GO在2θ = 11.7°处出现强峰，这是GO的典型特征峰，对应于(001)晶面。伽马辐照和未辐照GO样品的层间距（层与层之间的间隙）分别为7.6、7.7、7.9、8.1和8.2 ?，对应的辐照剂量分别为0、20、50、70和90 kGy。XRD分析证实了GO的剥离现象。

结论

在本实验中，氧化石墨烯在室温空气条件下接受了60 Co伽马射线的辐照，辐照剂量范围为0至90 kGy。样品通过拉曼光谱、XRD、FT-IR、UV-Vis、TGA和FE-SEM进行了表征。XRD分析证实了GO的剥离；FE-SEM分析显示伽马辐照后的GO边缘发生弯曲和收缩。根据拉曼光谱结果，由于碳晶格中原子的位移，缺陷形成增加。

作者贡献声明

Tavakkol Tohidi：撰写、审稿与编辑、监督、实验设计、数据分析。Somayeh Tohidi：撰写初稿、方法设计、数据管理、概念构思。Kazem Jamshidi-Ghaleh：撰写、审稿与编辑、监督、实验设计。Ali Fatemi：撰写初稿、方法设计、实验设计、数据管理

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据和代码可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在本文中。

伦理批准

本文不涉及任何作者参与的人类参与者或动物实验。

参与同意

作者声明同意参与本研究。

发表同意

作者声明同意文章的发表。

资助情况

不适用。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

不适用。