修饰、掺杂对石墨烯电学性质调控机制的X射线吸收谱学研究

石墨烯是一类重要的纳米材料，它所表现出来的许多独特性质使它很可能在未来的微电子器件、光电子器件等领域有着巨大的潜在应用价值。近年来，一些科学研究小组通过改变石墨烯表面或内部的物理化学环境实现了对材料电学性质的调控，发现了性能更为丰富的石墨烯材料，这个结果预示着石墨烯材料将会在未来的应用中发挥更大的作用。尽管如此，这些研究尚处于摸索阶段，目前缺少基础性的研究对这些实验现象进行归纳以总结出其调控机制作为后续研究的理论支撑。申请者将系统地研究表面修饰和元素掺杂对石墨烯原子尺度局域结构以及电子结构的影响，并深入开展与之相关的理论研究分析其电学性质的变化，进而从微观局域结构、局域电子态的角度建立表面修饰和元素掺杂对电学性质影响的机制。主要研究手段为基于同步辐射的X射线吸收谱学结合原位技术、显微扫描技术、第一性原理计算以及多重散射理论计算。

本项目基于同步辐射X射线吸收谱学技术研究了表面修饰和元素掺杂对石墨烯原子局域结构及电子结构的影响及其与电学性质之间的关系，主要研究成果如下：1、以氧化石墨烯为原料，采用高温退火和化学还原方法对其进行还原，然后通过X射线吸收谱对比研究了不同还原过程中石墨烯表面氧化基团和电子结构的变化，提出了获得更佳还原效果的方法；2、在此研究基础上，利用水热条件下氧化石墨烯和氨水蒸汽之间的固-气反应以及后续的退火处理合成了不同氮掺杂结构的石墨烯材料，并通过X射线吸收谱研究了氮掺杂结构随处理温度的变化，发现了石墨烯由n型半导体向p型半导体转变与N掺杂结构变化之间的关系；3、以氟化石墨为原料，采用低温共熔碱液处理方法，然后通过在乙醇溶液进行超声剥离获得石墨烯纳米片，X射线吸收谱测试表明在熔碱液处理过程中氟化石墨上的氟原子被羟基基团所取代，形成羟基化石墨烯，该研究提供了一种有效的石墨烯衍生物合成方法，并在此基础上进一步探索了不同条件下氟化石墨烯的替代和还原反应情况。通过上述的X射线吸收谱学研究，积极探讨了表面修饰、元素掺杂和电学性质之间的相互关系及其内在作用机制，并初步阐明了局域结构、电子结构变化对石墨烯电学性质的影响规律，提出了实现石墨烯电学性能调制的一些有效途径。