石墨烯可控制備、物性與器件項目可研報告(30頁)-石油化工-資料下載頁

【導讀】響的自主知識產權成果，形成有特色的研究體系。通過對石墨烯材料的一系列重。要物性的探測，為新型超高性能石墨烯器件的設計、組裝和應用提供重要的依據。1).發展完善大面積高質量石墨烯制備方法，包括基于SiC單晶基底生長，法上取得突破，制備出毫米級的高質量石墨烯或新型類石墨烯。雜、表面修飾和分子組裝等新的石墨烯物性調控方法。掌握石墨烯對外來功能分。發現石墨烯的一兩種奇異性質。互滲透、依存的角度組織課題，有針對性地對石墨烯的若干基本問題開展研究。構與物性的關聯；研制基于石墨烯的電子學和電化學器件等。術方法有截然不同的生長機制，說明生長站立石墨烯有其特殊的生長條件要求。以滿足這三個基本要素，能夠滿足垂直站立石墨烯的制備要求。板化或采用表面催化的方法生長有序排列石墨烯的可能性。電子結構等進行研究和分析；借助Hall效應測量石墨烯的遷移率和載流子濃度；究薄膜材料的有效方法，已在碳納米管和石墨烯的研究中廣泛使用。

　　

【正文】 關聯，并發展檢測這些生長過程物理量的方法。 (3) 探索可控的石墨烯 CVD 法摻雜，進而實現其電學性質的調控。此研究涉及摻雜前驅物的選擇優化、摻雜濃度的調控和優化影響石墨烯的生長因素。進一步通過催化劑薄膜的設計（如催化劑薄膜的圖案化，涉及一種或多種 催化劑），探索直接生長石墨烯的 pn 結構。 (4) 通過優化石墨烯材料的生長過程，采用模板，圖案化的金屬層，誘發劑，化學修飾等輔助手段使石墨烯材料形貌可控，可以更方便地構筑器件，為有機光電器件做電極材料，并研究石墨烯材料形貌和光電性能之間的關系。 合成新型的 石墨烯 模型分子，研究雜原子的引入對其光電性能的影響，并積極篩選綜合性能優異的 石墨烯 模型分子，為 石墨烯 的形成機理和理論研究提供分子模型。 石墨烯的宏量制備 我們也將探索和發展石墨烯的低成本，規模化制備技術。思路之一是通過溶液化學法的途徑，例如化學 修飾分散 /還原法；但是，溶液化學法制備的石墨烯具有很多缺陷，質量不高。高質量石墨烯的制備現在主要通過金屬單晶和 SiC 單晶表面外延生長的方法，而這些過程難以實現大規模合成石墨烯。我們嘗試采用高溫熱解碳化物顆粒的方法來實現宏量、低成本制備高質量石墨烯材料。具體內容包括： (1) 利用碳化硅微晶和碳化硅晶須為前驅物，通過高溫真空熱抽提 Si 的方法實現高質量、自支撐石墨烯的宏量制備；研究碳化硅前驅物顆粒大小和形狀、熱解溫度等對石墨烯薄片層數、形貌、缺陷的影響； (2) 利用過渡金屬碳化物為前驅物，在反應氣氛中高溫選擇 性移出金屬原子制備石墨烯材料；研究不同碳化物結構、反應氣氛對形成石墨烯的影響；控制 生長過程實現宏量、高比表面積石墨烯材料用于電化學能源轉化和存儲的應用； (3) 選擇含有 N、 B 等雜原子的碳化物前驅物，研究利用高溫熱解法宏量制備摻雜石墨烯材料；調變熱解溫度和氣氛控制雜原子摻雜濃度和摻雜石墨烯的結構； 研究熱解石墨烯材料的結構與 電化學能源轉化和存儲性能之間的 構效關系。 2 石墨烯的摻雜、化學修飾與物性調控 將通過表面形貌測量、電學測量、光譜測量、及原位監測等技術實現對石墨烯的表征。獲得可控的對石墨烯進行化學和物 理修飾的方法，獲得新的功能或特性。通過這些研究，一方面尋找調控石墨烯能帶結構的方法，發現新的物理性質和量子現象，另一方面，探索石墨烯新器件物理基礎。石墨烯的物性調控研究主要集中在以下方面： (1) 元素摻雜調控：包括載流子摻雜和元素摻雜；石墨膜特定位置的摻雜；摻雜濃度的控制等；具體而言在生長過程中進行摻雜，如基于 SiC 單晶石墨烯生長過程的摻雜，金屬表面熱解的碳化合物中引入特定的摻雜元素。 (2) 研究石墨烯的結構和性能與摻雜濃度、晶體缺陷等因素的關系； N型、P型摻雜濃度對石墨烯能帶結構的影響，并研究其 輸運性質的變化。實驗和理論計算結合研究。實現石墨烯摻雜對載流子遷移率的調控。 (3) 通過化學修飾，在石墨烯表面引入具有共軛結構的電子給體和受體，局域修飾石墨烯，以及邊界原子化學修飾等，調控石墨烯的傳輸性質。使石墨烯中部分 SP2碳轉化為 SP3碳，調節石墨烯的能帶寬度，增加其半導性。 (4) 將石墨烯鍵合到共軛高分子體系中，得到長期穩定和結構均一的新型復合石墨烯功能材料，并研究其可能的各種特異性能，為新型光電子器件的構建提供材料。目前，石墨烯與高分子之間更多的是物理的混合。存放時間長一些，往往會導致它們在體系 中分布的不均勻性，引起體系性能的降低甚至喪失。 (5) 石墨烯維度和尺寸的控制及對物性的調控：選擇小的具有特定幾何取向的石墨烯模型分子（也可含各種雜原子）生長石墨烯，實現對其維度和尺寸的控制，進而揭示出其結構與宏觀性能之間的關系。 3 石墨烯的基本物性 石墨烯的獨特的物性使其在光、電、磁、力學等領域都有潛在的應用，特別是其在分子電子學方面的潛在應用，已引起人們的廣泛關注。在材料制備的同時，我們將針對石墨烯的電、磁、熱電、自旋等基本物性，特別是局域性質及宏觀量子效應，開展研究；實驗探測和理論研究緊密聯系，為 石墨烯的制備、物性表征與調控，以及原型器件和應用探索提供實驗與理論指導，為石墨烯器件的應用打下堅實的基礎。 (1) 在單分子尺度研究石墨烯的物性，將采用低溫 STM 測量石墨烯中缺陷處在不同電壓下的微分譜像，根據缺陷周圍局域態密度隨偏壓的變化特點，算出石墨烯中載流子的遷移速度。利用 STM 和掃描隧道譜 (STS)表征，研究石墨烯膜的本征電子結構。確認并測量石墨烯膜的扶手椅型邊緣和鋸齒型邊緣的局域電、磁性質。研究石墨烯不同邊緣態對功能有機分子的物性的影響。 (2) 探索功能復合體系對石墨烯電子結構的調控。石墨烯表面引 入外來功能分子 [如酞菁過渡金屬化合物，并五苯等 ]及金屬原子 [高導電性的金，銀；磁性的鐵，鈷；催化性質的鉑等 ]，研究其局域結構和物性，探索石墨烯局域性質的調控。研究石墨烯對功能分子物性的調控，如磁性分子的近藤效應（ Kondo effect）和塞曼效應（ Zeeman effect）等。開展石墨烯上磁性分子量子隧道和量子相變的研究。研究單個磁性分子的量子自旋態及其量子共振隧穿，建立石墨烯上單個磁性分子與分子磁體量子行為間的關系。 (3) 石墨烯材料體系輸運特性的研究：包括石墨烯的電學輸運性質和熱電性質的研究；在強 磁場和極低溫下研究石墨烯的量子輸運行為，宏觀量子效應以及金屬－絕緣體相變等基本問題。單層石墨中存在雜質情況下的輸運特性，研究雜質引起的局域化，局域態和非局域態間的轉變等。 (4) 石墨烯體系在光場作用下的光致載流子效應研究。在光場作用下，石墨烯價帶中的電子將被激發到導帶。與常規半導體不同，石墨烯是一零帶隙材料系統且具較大的聲子（或晶格）振動能量。因此石墨烯中光生載流子的產生必將通過載流子 光子 聲子交互作用來實現。我們將研究在載流子 光子 聲子交互作用下石墨烯中電子和空穴濃度隨光輻射強度和頻率的變化關系， 為進一步研究石墨 烯的光電相應特性打下基礎。 (5) 發展和完善研究石墨烯的理論與計算方法，對實驗體系進行模擬與分析。擬將采用電子輸運理論、緊束縛近似方法、電子密度泛函理論，側重研究石墨烯的電子結構和 (自旋 )輸運特性、鐵磁 石墨烯 鐵磁自旋閥 ， 石墨烯組成的量子點、磁場下電子 (自旋 )輸運、最小電導、無序效應、石墨烯的光電特性等。發展和完善石墨烯的電子結構計算方法和 (自旋 )輸運理論 , 定量描述石墨烯結構和物性之間的關系，解釋石墨烯的相關實驗結果，探索化學修飾的微觀機理，發現和研究石墨烯光電響應機制，調制石墨烯的電 子結構和磁學性能的機制，為石墨烯的實驗和應用研究提供有意義的理論依據和指導。 4 石墨烯在電子學和電化學器件中的應用研究 石墨烯在電化學能源轉化和存儲中的應用 單層石墨烯的比表面積高達 2630 m2/g，具有良好的導電性、導熱性和高穩定性；而且石墨烯通過進一步的化學修飾和摻雜可以實現對其電子結構和表面化學特性進行有效調控。這些特點使得石墨烯在電化學能源轉化和存儲中有著重要的應用。我們將石墨烯作為電極材料應用于電化學能源轉化和存儲器件中，包括燃料電池和超級電容器，主要研究內容有以下幾個方面： (1) 在 宏量制備石墨烯的基礎上，研究以石墨烯為催化劑載體，制備金屬 /石墨烯電極材料，實現高效的電催化反應，應用于高效率燃料電池。研究石墨烯與擔載金屬催化劑之間的相互作用，利用石墨烯獨特的結構獲得高度分散、高穩定性、高活性的負載金屬催化劑；通過調變石墨烯的電子結構和表面化學特性來優化電催化反應性能。 (2) 在石墨烯改性和修飾的基礎上，研究利用摻雜或化學修飾的石墨烯材料直接作為電化學催化劑來實現相關的電化學能源轉化過程，探索采用碳基材料來減少并部分替代在燃料電池中廣泛使用的貴金屬催化劑材料。研究石墨烯的摻雜、表面修飾 、功能化等對石墨烯在電催化反應的調變作用，探索燃料電池中電催化反應機理。 (3) 利用石墨烯的高比表面積、高導電率、高導熱率，研究石墨烯在電化學 儲能中的應用。關鍵在于制備高比表面積的多孔石墨烯材料，研究比表面積、孔徑分布、表面官能化等對比電容、功率密度、循環性能等電容器性能的影響。將石墨烯電極材料與集流器、電解質相集成，構建基于石墨烯電極材料的超級電容器。 石墨烯在納米電子學器件中的應用 目前石墨烯器件方面的研究才剛剛開始。近兩年內，石墨烯基納米器件的研究方向包括：場效應晶體管、晶體諧振器、氣體傳感 器、壓力傳感器，電子與自旋調控器件等。有人甚至預測將來可能會用石墨烯制作整個電路。石墨烯具有目前已知薄膜材料中最薄的、超強機械強度和非常高的電導率和熱導率。圍繞石墨烯器件及石墨烯應用的研究，對石墨烯材料器件工作原理、器件加工和測試技術進行深入研究，并對其相關特性進行深入剖析和理論模擬，最終發現和解決石墨烯材料器件的若干問題，為石墨烯材料器件的應用打下堅實的基礎。我們將著重開展以下幾方面的工作： (1) 掌握石墨烯基納米器件的電子束和光學混合曝光技術；獲得基于石墨烯的精確可控的亞微米、納米級結構的干法刻蝕工藝 技術，實現亞微米、納米級高寬比的 X 射線曝光及圖形轉移技術。 (2) 在分子尺度上搭建石墨烯基納米結構，理解載流子輸運和注入、傳輸層特性，發展歐姆接觸制備技術、器件集成技術等核心技術，基于高質量石墨烯材料優異的電學特性研制出納米電子學器件。 (3) 石墨烯傳感器研制。利用微加工技術制作的石墨烯場效應晶體管，置入特定的氣體或液體環境中，石墨烯吸附分子或離子后，晶體管的開關響應和載流子遷移率等將發生變化，研究響應的靈敏度和檢測對象的選擇性。進一步地，研究化學修飾或摻雜后的石墨烯器件的靈敏度；選擇特殊的化學修飾或摻 雜的分子、原子，使石墨烯傳感器的具有特定的用途。 (4) 設計基于石墨烯的有機光電子器件。通過石墨烯改進激活層的微觀結構及其性能，為載流子提供一條連續有效的傳輸路徑，探求石墨烯對光電轉換效率的影響，改善有機光伏器件物理性能。石墨烯單原子厚度及很大的二維平面在聚合物中產生大的分界面，可有效地促進施主和受主在表面的電荷分離和電荷轉移。功能化后的石墨烯具有更高的遷移率以及良好的穩定性和紫外到可見光波段的強 吸收，從而可優化光伏器件的性能。 (5) 高集成密度石墨烯傳感器陣列應用于高 空間分辨率的細胞電生理檢測。結合納米加工技術和細胞生物學方法，構造多個石墨烯納米電子元件與神經細胞的人造突觸組成的傳感陣列。通過檢測信號之間的關聯性，研究同一細胞的不同位置及不同細胞間電生理信號的關聯，為理解神經元網絡的信號傳導機制提供新方法。