石墨片及其复合体系的电子结构调制与功能化研究

利用脉冲激光沉积和等离子体化学气相沉积技术制备单层、双层和多层石墨片二维材料，通过掺杂、复合等手段对其电子结构进行调制，从而获得特定的电学和光学等性质并最终实现材料的功能化，为石墨片微电子器件的制作提供依据。在此基础上制备二维石墨片与具有光物理与化学功能的半导体纳米复合材料，研究复合材料激发态电子转移特性及其与光物理与化学功能的关系，发展新型的石墨片复合功能材料。基于第一原理，利用密度泛函理论对石墨片的电子结构与性质及受元素掺杂、吸附、复合的影响进行材料计算机模拟研究，揭示各种因素对石墨片电学、光学等性质的影响规律，以此指导实验并诠释实验所出现的新现象。

(1)石墨烯的理论研究：利用基于第一原理的密度泛函方法，系统研究了石墨烯纳米带的电子结构及其掺杂、吸附对电子结构的调制。发现锯齿型石墨烯纳米带是反铁磁性的、具有强烈的边缘态，而扶手椅型纳米带的带隙则随着其宽度的变化呈现周期性变化规律；探讨了氧气分子在扶手椅型纳米带表面上的吸附对纳米带结构和性质的影响及吸附和氧化作用机制；在石墨烯存在空位缺陷时，碱金属Li原子在石墨烯上的吸附量可以大幅度增加，且在垂直于石墨烯层面方向上Li粒子可以自由扩散；边缘饱和氧原子可以调制扶手椅型石墨烯纳米带电子结构并实现金属-半导体的转变；硼/氮原子掺杂锯齿形边界三角形石墨烯纳米片使磁性有所降低，通过掺杂原子位置可有效调制其磁学和电学性质。上述研究为最终实现石墨稀纳米带微纳米电子器件的制作提供了理论依据。(2)石墨烯的实验研究: 利用等离子体增强化学气相沉积和化学氧化还原方法制备了少层石墨烯和石墨烯与氧化锌、氧化钛等组成的纳米复合材料，系统研究了材料的结构、电学、光学等性质。(i)石墨烯及石墨烯与氧化锌复合的场发射: 一般实验上所获得的石墨烯片平行于衬底，要发挥其薄原子层的场发射优势就必须使其直立于衬底之上。我们通过两种方式解决了这个问题：一是在衬底上获得近似垂直于衬底的少层石墨烯(GSs)，并对其进行Ar离子轰击处理，使其尖端由少层石墨烯几乎变成单层石墨烯而变得尖锐，从而大幅度改善了GSs的场发射性质；另一则是先在衬底上通过热生长方式生长近似垂直于衬底的ZnO纳米带，然后利用等离子化学气相沉积方法将石墨烯沉积在ZnO纳米带上，从而获得了远优于ZnO纳米带的场发射性质。(ii)石墨烯与氧化钛复合的图案化：我们利用紫外光照射，在室温、空气气氛下，在各种基底上，成功制备了大面积、均匀的还原氧化石膜烯/TiO2导电薄膜，其电阻率为0.5-2Ωcm，图案化的膜很容易通过用遮光片遮挡紫外光的方法制得，线的宽度可以达到10微米或者更细。因为UV只有很弱的热效应，光助还原法尤其适合于在弹性塑料基底上制备还原GO图案，这在未来的微电子和光电子器件方面有着许多潜在的应用。