电子束辐照对石墨烯片、纳米带、量子点影响的研究

Graphene materials have attracted much interest in recent years owing to its unique and outstanding properties. During the process of preparation and characterization of graphene materials and its devices, electron beam irradiation causes radiation damage. However, electron beam irradiation can also be used to modify the structure, morphology and performance of graphene materials. In this project, we select graphene films, graphene nanoribbons and graphene quantum dots as the research object. By using Molecular dynamics simulation, Kinetic Monte Carlo approach and Density functional theory-based methods, we set up the atomistic modeling and simulation methods of irradiation effects in graphene materials. The formation of defects and their interactions are analyzed. The relationship between the energy gap induced by defects and the particle size, number of layers, the edge shape is explored. We assess the impact of electron beam irradiation on the stability of the graphene system, and provide a lot of insight into the mechanism of the structural evolution. Irradiation experimental techniques are used to analyze irradiation-induced and native defects in graphene materials, which will perfect the physical modeling and simulation method. Meanwhile, the effective use of electron beam irradiation can modify the mechanical, optical and electrical properties of graphene materials. The study on irradiation effects of graphene materials can provide theoretical guidance for the stability of graphene materials and its devices, and also provide technical support to their application in transparent conductive film, field effect transistors and biological fluorescence probe.

石墨烯体系以其独特的结构和优异的性能，在化学、物理和材料学界引起广泛兴趣。在石墨烯材料和器件的制备及表征过程中，电子束辐照会造成材料的辐射损伤，同时利用电子束辐照能对石墨烯材料的结构和性能进行改性。本项目选定石墨烯片、石墨烯纳米带、石墨烯量子点作为研究对象，结合分子动力学法、蒙特卡罗法和基于密度泛函理论法，建立石墨烯材料电子束辐照效应的物理模型和模拟方法，分析辐照产生的缺陷及其相互作用，探索缺陷造成的能隙与粒径、层数、边缘形态之间的关系，评估电子束辐照对石墨烯片、石墨烯纳米带、石墨烯量子点稳定性的影响。结合辐照实验，验证并完善模拟方法，更为准确地研究石墨烯材料的辐照效应，同时合理利用电子束辐照改善材料的力学、光学和电学性能。该研究将为石墨烯片、石墨烯纳米带、石墨烯量子点及器件的稳定性提供理论指导，并为其在透明导电薄膜、场效应晶体管和生物荧光探针等方面应用提供技术支撑。

石墨烯独特的结构和优异的性能在物理和材料学界引起广泛兴趣。在石墨烯材料和器件的制备及表征过程中，电子束辐照会造成材料的辐射损伤，也可利用电子束辐照来制备材料和调控材料的结构和性能。因此研究电子束辐照下石墨烯的结构演变和性能变化是该领域重要课题。本项目首次在透射电子显微镜下实时观察石墨烯量子点在电子束辐照下的分形生长过程，形成的石墨烯量子点分形结构可能具有良好的场发射性能，有望应用于场效应晶体管。本项目通过调控不同的辐照剂量，前驱物的加入量和碱催化剂的量来优化制备条件,合成的石墨烯量子点最大荧光强度在475 nm，并且其量子产率高达37％。针对目前石墨烯量子点缺乏工业化、低成本和环保的制备方法，本项目采用一个完全“绿色”的传统磺化反应，在水热条件下通过小分子前驱物完全融合制备高水溶性，没有不溶性碳等副产物的磺酸基石墨烯量子点，实现工业化大规模制备高荧光量子产率的石墨烯量子点的方法。本项目将氮氧共掺杂石墨烯量子点应用在微型超级电容器中。通过改进的分子融合法合成含N（17.8 %）和O（21.3 %）的石墨烯量子点，并通过电泳沉积法将其负载在微型叉指电极上。我们通过N/O共掺杂来增强量子点与Au电极表面之间的相互作用，形成致密的一层碳膜（3.57 g cm-3），其中有部分自组装成微碳管，增大了比表面积。基于氮氧共掺杂石墨烯量子点材料的对称微型超级电容器在水溶液和固体电解质中都具有优异的电化学性能。在PVA/H3PO4电解液中全固态微型超级电容器表现出极高的体容量（56.1 F cm-3）和体能量密度（7.8 mWh cm-3），以及良好的循环稳定性。氮氧共掺杂石墨烯量子点其优异的电化学特性使其成为高性能微型超级电容器最具应用前景的材料之一。