基于功能化石墨烯的能带调控及其生物传感机理研究

The tuning of graphene band structure is important for designing sensor and energy conversion devices. Defect, dopant and metal cluster are introduced into surface of graphene to build novel composite using theoretical simulation and microfabrication technology, based on surface functional modification. Firstly, the band structure of graphene is modulated by the dopant and defect using density functional theory. Secondly, the electron transport property of graphene is studied by nonequilibrium Green's function formalism. Thirdly, graphene/metal cluster composite is used to detect biomolecules, and the interaction mechanism is investigated in graphene/metal/biomolecule. Finally, novel sensor device is designed through simulation to validate the theoretic results. Comparing with the conventional research on graphene, the study combines the manipulation of band structure and electronic transport properties, theory and experiment, expected to prepare the structure and properties of new controllable graphene materials and sensor device.

调控石墨烯的能带结构对设计以石墨烯为基础的传感器和微纳器件等具有重要意义。本项目以表面功能化设计修饰为基础，采用理论模拟和微纳加工技术，将单原子金属、金属氧化物、金属团簇、有机分子和生物分子等引入石墨烯结构的表面，构筑新型石墨烯复合材料。首先，采用第一性原理系统研究金属、有机分子等对石墨烯的能带调控；其次，利用非平衡态格林函数的方法研究石墨烯的电子输运性质；再次，将石墨烯/金属团簇应用到生物分子的检测中，研究"石墨烯/金属团簇/生物分子"三者间的相互作用机理；最后，根据理论模拟设计新型生物传感器，验证理论模拟结构。与传统石墨烯能带调控和石墨烯薄膜的传感性质研究相比，该研究统筹了能带调控和电子输运性质，将理论和实验相结合，有望设计并制备结构、性能可控的石墨烯新型功能材料和传感器件。

石墨烯具备特殊的电子结构和二维层状纳米构型引起了种领域广大研究兴趣，而石墨烯优良的光电性能和极大的比表面积使其在超分子化学方面有着广阔的应用前景。类石墨烯二维材料是指在一个维度上维持纳米尺度，一个或几个原子层厚度，而在二维平面内具有无限类似碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，具有许多独特的性质。本课题主要围绕石墨烯和类石墨烯纳米材料的电学性质调控与器件的设计开展了系统的理论研究，以表面功能化设计修饰为基础，采用理论模拟技术和微纳加工技术，将各种修饰因素植入材料结构的表面，研究功能化对石墨烯和类石墨烯材料传感性质的影响，构筑新型二维纳米复合材料。本项目研究了硫化氢分子吸附对石墨烯磁学性质与电子输运性能的调控。金属原子掺杂石墨烯结构中能够明显增强硫化氢/石墨烯之间的相互作用，工作揭示了不同金属原子存在下小分子的吸附对体系磁性的影响是不同的，研究拓宽了石墨烯气体传感机理方面的工作；研究了CO分子在本征和掺杂类石墨烯氧化锌、类石墨烯硫化钼纳米体系上的吸附，提出了通过引入掺杂可以提高类石墨烯体系化学活性的方法，该研究为改变类石墨烯体系表面性能的表面提供了指导，同时对设计新型的磁性器件提供了思路；通过水热和溶剂热法及煅烧处理制备片状六方类石墨烯状氧化锌和盆景状氧化锌，结果表明两种纳米ZnO制备的气敏元件对于乙醇气体具有较高的灵敏度。