石墨烯材料的局域選擇性功能化及相應材料的性質研究

《石墨烯材料的局域選擇性功能化及相應材料的性質研究》是依託中國科學院大學，由楊志勇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯材料的局域選擇性功能化及相應材料的性質研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊志勇
• 依託單位：中國科學院大學

項目摘要

石墨烯材料因其諸多的優異性能而備受關注。石墨烯的功能化對實現其套用價值非常關鍵。在目前的功能化研究當中:大多數缺乏局域選擇性，功能化的位置不可控；功能化基團在石墨烯表面分布不均勻；功能化程度的控制不夠精確；功能化材料的性能重複性差等。在本項目中，將利用掃描探針顯微鏡(SPM)技術，通過探針的電、熱等效應引發功能化反應。該方法藉助SPM技術的高空間解析度能力，選擇性的功能化預定區域，實現功能化區域的選擇性。在此基礎上可以實現多級、分步功能化：在石墨烯表面不同的區域分步嫁接不同的基團；或在初步功能化的分子上進一步嫁接其它功能化單元。功能化程度可由探針施加刺激的強度、移動速度及與樣品間的距離等參數來調控。並將研究功能化單元的種類、數量、分布等因素對功能化材料電學性質的影響。研究結果對發展石墨烯材料的可控功能化方法、篩選性能優異的石墨烯材料、石墨烯器件及積體電路的研究等都有重要的意義。

結題摘要

石墨烯的合成、表征與功能化修飾對石墨烯材料的基礎研究及套用都有非常重要的有意義。在項目實施中，我們發展了快速簡便得判斷多層石墨烯堆疊結構的方法，開展了利用AFM探針氧化修飾石墨烯的工作，還通過多種反應分步對石墨烯進行了多層次修飾與功能化，對石墨烯的電學性質進行了調控。在目前的報導中，有的認為多層石墨烯的堆疊結構是蛋糕模型，有的認為是倒置蛋糕型。我們利用AFM相圖技術通過研究已知結構的人造多層石墨烯樣品，建立了相圖反差類型與石墨烯堆疊結構的關係，從而判斷出了原位生長得多層石墨烯的堆疊結構，並從理論分析中知道不同堆疊結構在相圖上反差不同是因為對探針震動的能量耗散不同而造成的。相比於文獻中的同位素標記、二次離子質譜等方法，我們發展的辨別方法可以達到單疇區水平的解析度、而且具有樣品免標記、方便、快速、無損樣品等優點。更重要的是，我們的研究還表明兩種結構類型的多層石墨烯可以在同一片基底上共存。也就是說即使是在同一片基底上，不同的多層石墨烯疇區其結構也是多樣化的。因此在進行石墨烯的生長機理、反應活性、力學性質等研究時應在單疇區水平上進行，而不能針對整個樣品籠統的進行討論。而後，我們利用AFM探針對石墨烯進行了陽極氧化修飾。詳細的考察了探針的移動速度、施加電壓等參數對所產生的功能化圖案的影響。研究中發現高速度或低電壓所產生的功能化圖案邊緣較為規整，其寬度和高度受實驗參數的影響較小；反之，低速度或高電壓所產生的圖案邊緣不規整，寬度隨速度增大或電壓降低而減小，但高度不變。刻蝕產生的功能化區域有明顯的整流效應，並且刻蝕電壓越高，整流效應越明顯。進一步，我們利用氧電漿和疊氮化合物對石墨烯進行了分步、多層次的複合功能化。氧電漿功能化處理後，石墨烯表面由疏水轉變為親水界面，導電性下降但無明顯的整流效應。樣品與疊氮化合物反應後，接觸角變大，並顯出了明顯的整流效應。在項目資助下，我們對石墨烯進行了多種方式的功能化修飾，並考察了其電學性質，結果對石墨烯電路的發展、石墨烯性能的調控及套用等都有重要的意義。