石墨烯表面化学修饰以及量子尺寸效应研究

石墨烯是由碳原子紧密堆积形成的单层蜂窝状结构，具有独特的量子效应和电学性能，是研究凝聚态物理学基本问题的模型材料。本项目采用化学掺杂/修饰的方法，调制石墨烯的能带结构以及物理化学特性，研究量子效应对于石墨烯表面化学修饰的调控作用。利用超高真空变温扫描隧道显微镜/分子束外延/原位电学性质测量系统，在SiC基底上制备层数可控的石墨烯；选择具有高反应活性的分子（例如重氮盐）和含有芳香基团的分子对石墨烯进行共价或非共价化学修饰；探索量子效应对于石墨烯表面化学修饰的调控作用，建立石墨烯的层数，分子吸附/修饰的表面形貌，电子结构和电学特性之间的一一对应关系。本研究是在分子水平上对石墨烯的性能调控，这是表面化学，凝聚态物理学，材料科学研究中最前沿的课题，为石墨烯在纳电子领域的应用研究提供详实的实验依据。

本项目围绕石墨烯的共价和非共价化学修饰的微观机制和其对于能带结构和电学特性的量子调制作用展开了研究。取得的重要研究成果主要包含以下几个方面：.1）石墨烯的制备和原子尺度的精确表征研究，建立不同基底上石墨烯材料的宏观生长机制和微观形貌之间的关联，主要的研究体系为Cu， Ni，Pt， Rh箔材基底上的石墨烯。值得一提的是，本工作是第一次在Pt, Rh箔材上获得了大面积、单层/少层的石墨烯。同时在Rh上双层非AB堆垛石墨烯上看到了范霍夫奇点随层间扭转角度的不同而表现出的线性变化关系。.2）石墨烯的共价和非共价化学修饰的研究，我们选用肽氰分子和金属Mn原子对外延生长的SiC(0001)上的少层石墨烯进行了化学修饰。发现肽氰分子在少层石墨烯表面的吸附和组装与石墨烯的厚度表现出高度的相关性，优先吸附在单层，然后是双层和三层石墨烯上，这种选择性的吸附和修饰行为被认为和不同厚度石墨烯的表面电势差紧密相关，因而表现出了随石墨烯厚度变化的尺寸效应。而金属Mn原子可以插层到界面层或单层石墨烯与SiC的基底之间，形成单原子层的材料，角分辨光电子能谱的研究发现，金属Mn原子层的界面修饰可以导致石墨烯的能带结构产生微弱n型掺杂作用。.3）石墨烯-氮化硼杂化材料的制备以及其微观结构的研究。最近的研究表明，氮化硼作为石墨烯的结构类似物，在电子结构上和石墨烯表现出很大的差别，带隙分别为5.9eV和~0eV。制备石墨烯氮化硼面内杂化材料是有可能实现石墨烯能带调控的。目前国际上有很多知名的课题组展开了相关的研究，利用化学气相沉积的方法在多晶的Cu基底上制备出了杂化材料。 然而有关这类新颖杂化材料本征特性的表征却受限于多晶基底上材料的高低起伏较大从而很难获得原子尺度的证据。我们在Rh(111)金属基底上制备了严格单原子层杂化材料，利用高分辨的扫描隧道显微镜(STM)研究，发现石墨烯和氮化硼可以面内无缝地连接，并且连接边缘的类型以zigzag型为主。本工作是第一次给出了氮化硼和石墨烯微观上拼接特征的实验证据。.在项目执行期间，共发表学术论文21篇，其中Nano lett. 2篇， Phys. Rev. Lett. 1篇，ACS Nano 5篇，Nat.Commun. 1篇，Small 1篇，Nano Res. 5篇。有5名在读博士得到支持。