碳纳米纤维同质异构结的可控制备及其物性调制研究

作为一种由不同结构碳材料构成的特殊一维纳米材料，全碳基一维纳米同质异构结不仅具有多组分一维纳米材料的诸多优点，而且相同的碳元素组成成分使其在同质异构结的界面处具有最小的界面态和较小的晶格失配度。研究具有不同功函数的碳结构组成的全碳基一维纳米同质异构结在理论和实验上都具有重要意义，在制作下一代微纳电子和光电子器件方面具有广阔和重要的应用前景。本项目提出采用放电等离子体烧结技术（SPS）制备具有"晶态-非晶态"结构特征的碳纳米纤维同质异构结，通过系统研究SPS处理参数与同质异构结形成的关系和影响，实现同质异构结的可控制备以及其物性的可控调制；同时，通过建立碳纳米纤维同质异构结的微观原子模型，分析并揭示同质异构结各组成成分的能带结构和两者之间的界面特征，模拟预测其物理性质，为实验参数的优化提供指导和理论依据。

碳有多种同素异构体，如一维的碳纳米管（纤维）和二维的石墨烯等。碳材料由于其结构的差异具有完全不同的性能。基于碳材料构筑具有独特性能的复合结构将极大地推动碳材料研究的发展，有利于其应用领域的进一步拓展。.项目负责人通过采用放电等离子体烧结技术（SPS），制备具有"晶态-非晶态"结构特征的碳纳米纤维同质异构结，通过系统研究SPS处理参数与同质异构结形成的关系和影响，发现烧结温度和轴向压力是决定其微观结构的主要因素，实现同质异构结的可控制备以及其物性的可控调制；通过建立碳纳米纤维同质异构结的微观原子模型，分析并揭示同质异构结各组成成分的能带结构和两者之间的界面特征。.另外，项目负责人在本项目预期研究计划的基础上，积极拓展其他碳素纳米材料石墨烯及其衍生结构的研究工作。开展了石墨烯基三元异质结构并对其光电转换特性进行探讨，并阐明了该异质结构的高效光电转换机制；采用KPFM技术研究石墨烯和多种类石墨烯范德瓦尔斯层状材料的表面电势；采用第一性原理计算方法对类石墨烯的MoS2层状材料及其异质结构的电学性质进行了探讨；研究了与碳元素同属第四族的Si材料的几种复合结构和性能。.在本项目的资助下，在Journal of Materials Chemistry, Applied Physics Letters等刊物上发表论文28篇，其中SCI论文25篇，引用次数130余次。项目研究成果将在下一代微纳电子和光电子器件方面具有广阔和重要的应用前景。