原子精度可控石墨烯納米結構合成機理及套用研究

《原子精度可控石墨烯納米結構合成機理及套用研究》是依託重慶大學，由羅正湯擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：原子精度可控石墨烯納米結構合成機理及套用研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：羅正湯
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

石墨烯本身沒有能帶隙(bandgap)，因而在電子技術領域的套用受到限制。本研究計畫通過引進先行高分子聚合中的終止單體概念，利用1,2-azaborine的類單官能團單體結構，利用其作為石墨烯合成的分子量調節劑，從而可控的合成特定大小、邊界結構的石墨烯結構。這種結構的石墨烯可以通過量子限域（quantum confinement）和/或邊界效應 （edge effect）的辦法產生能帶隙。同時，我們將探討催化金屬的微觀結構特徵、合成溫度、反應時間、反應單體種類及濃度、表面處理方法等對石墨烯合成的影響，理清控制單層石墨烯片的邊界關鍵因素。最終建立起實驗參數與石墨烯合成動力學、熱力學關係，闡明合成不同邊界結構的石墨烯的途徑，並驗證申請人提出的二維自由基聚合理論。

結題摘要

石墨烯本身沒有能帶隙(bandgap)，嚴重製約其在光電領域的套用。研究通過理論和實驗結合方法，揭示催化金屬、氫氣、濕化學法轉移對石墨烯生長機理和結晶質量的影響機制；通過調控石墨烯層數和基於邊界/納米限域效應的納米化石墨烯的高效化學刻蝕方法，實現在石墨烯中引入帶隙的目標；通過構築複合界面和雜原子摻雜調控石墨烯電子結構，探究其與材料光、電催化效能的構效關係規律。主要研究結果如下：①研究對比sapphire不同晶面誘導對Cu膜表面結晶結構的影響，發現Cu金屬表面不是簡單的表面自限制生長機制，而是受生長動力學控制，證實石墨烯和Cu（111）晶面存在一定的結晶外延關係，利於高質量石墨烯生長；對比發現（100）晶面為主的銅箔比多晶結構的銅膜在初始階段有更高的石墨烯成核密度和更快的增長速度。②研究石墨烯的轉移過程中對輔助PMMA膜分別利用溶劑溶解、熱分解和二者相結合三種除去方法，發現利用丙酮溶解和熱分解結合的方法，最利於獲得表面潔淨的石墨烯膜，然而熱分解過程中會形成複雜的石墨烯與基底相互作用，造成拉曼光譜的表征偏差。③研究對比具有不同碳溶解度的Cu和Co催化金屬，通過實驗設計和理論模型結合，闡明H2參與CVD過程的升溫、退火、生長、降溫各步驟中，對催化金屬的表面結構、粗糙度、石墨烯生長質量的影響規律，以及預溶解H2對碳原子的溶解和偏析行為的不同影響機制。④研究設計不同金屬催化的兩步反應過程，在大氣壓的條件下成功將無定形碳合成為層數可控的石墨烯。⑤研究利用弱氧化性的CO2刻蝕實現石墨烯納米結構製備，發現其刻蝕反應速率快，石墨烯納米結構保持高結晶質量。⑥研究發現石墨烯缺陷能促進其與半導體粒子形成有效界面複合、降低半導體材料的能帶隙、提高其光催化性能；利用快速分解氮源方法合成單一氮-碳鍵合結構主導的摻氮石墨烯，發現吡啶類型的氮-碳鍵合結構是氧還原反應的高效活性位點。系列研究成果對石墨烯精準控制製備、電子結構調變及其套用具有重要參考價值。