偶氮分子嫁接石墨烯表面及其仿生功能化

Functionalizing graphene, may not only make graphene band structure change and band gap open, more able to find new properties and behavior of graphene composite material that can be used, and further development of its practical applications. In this study, oriented by the development of new principle and new method for material researching and preparing, azobenzene molecules with dipole moments are non-covalently (such as the π-π weak interaction) latched on graphene inspired by vision bionics, resulting controllable doping of graphene. The charge concentration of graphene can be modulated by latching azobenzene molecules designed with different dipole moment. Furthermore, azobenzene molecules offer the additional flexibility of introducing light-triggered reversible change of dipole moment magnitude by molecular transformations to switch the doping behavior. In this project, the nature of modulating doping of graphene will be revealed, charge dynamics at graphene-azobenzene molecules interface will be studied. Those will motivate the way to open band gap and modulate the semiconductor properties of graphene, guiding the design of novel graphene-based materials, developing new properties of graphene hybrids, which can be applied in semiconductor and energy materials.

本研究以发展材料设计与制备的新原理与新方法为导向，从仿生的角度出发，将具有偶极矩的偶氮苯分子，采用非共价键连接（如π-π弱相互作用），嫁接在石墨烯的表面，模仿视觉发生的原理，对石墨烯进行控制掺杂。通过设计偶极矩大小不同的分子，与石墨烯构成杂化结构，以分子偶极矩的大小调控石墨烯表面的电荷密度，得到不同的掺杂效果。通过光照使偶氮苯发生顺反异构化，可逆改变其偶极矩大小，从而实现石墨烯不同掺杂效果的开启和关闭功能。研究在这些过程中，偶极矩调控石墨烯性质的本质，以及电荷在偶氮苯分子和石墨烯之间的动力学传输过程，发展石墨烯能带隙打开的新方法，调控石墨烯的半导体性质，指导新型石墨烯材料的设计，开发新性质的石墨烯复合材料，应用于半导体和能源材料的研究。

功能化石墨烯，不仅可能使石墨烯电子能带结构变化、能带隙打开，也能够发现石墨烯复合材料可以利用的新性质和新行为，进一步开发其实际应用功能。本项目在项目执行期间围绕偶氮苯分子偶极矩调控石墨烯性质开展了系统深入的研究。以发展材料设计与制备的新原理与新方法为导向，模仿视觉发生的原理，将偶氮苯分子，采用π-π相互作用非共价键连接的方法，通过偶氮苯分子功能化修饰石墨烯，对石墨烯进行控制掺杂，得到偶氮苯与石墨烯间电荷转移。通过偶氮苯偶极矩的大小调控石墨烯表面的电荷密度，实现不同的掺杂效果，改变了偶氮苯分子与石墨烯各自的能级结构。证实偶氮苯与石墨烯之间的相互作用本质为各自本征能级的变化，包括石墨烯费米能级移动和HOMO、LUMO能级变化。通过该项目的执行，我们得到石墨烯的费米能级受偶极矩的影响很明显，偶极矩越大，石墨烯的费米能级的变化越明显。通过光照使偶氮苯发生顺反异构化，可逆改变其偶极矩大小，从而实现石墨烯不同掺杂效果的开启和关闭功能。设计不同偶极大小和方向的偶氮苯分子与石墨烯制备场效应晶体管器件，这些分子对石墨烯都形成P型掺杂，但偶氮苯分子偶极矩方向不同，能导致阀值电压的相对移动方向不同，形成对石墨烯不同程度的掺杂。通过研究在这些过程中，偶极矩调控石墨烯性质的本质，以及电荷在偶氮苯分子和石墨烯之间的动力学传输过程，建立了石墨烯表面仿生的组装新技术和新方法，发展具有自己特色的高性能的偶氮苯/石墨烯复合材料。本项目按计划圆满完成了研究任务，超额实现了预期目标。在J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces等杂志共发表相关SCI 论文7 篇，另有两篇SCI文章处于审稿当中；授权专利1 项；培养博士研究生2名，硕士研究生3名，1名博士后。该项目的完成为调控石墨烯的半导体性质，指导新型石墨烯材料的设计，开发新性质的石墨烯复合材料，发展石墨烯能带隙打开的新方法，应用于半导体和能源材料的研究提供了有意的参考和思路。