单层石墨烯的缺陷结构和二次电子发射性能之间的内在关系

申请人发现单层石墨烯具备一种优异性能- - 超低二次电子发射，可以作为高效率真空电子器件的内壁、阳极或收集极的涂层材料。真空电子器件已经被广泛应用于科研、生产和生活，例如粒子加速器与微波管。因此，单层石墨烯的这种性能非常重要。但是，此种性能受到单层石墨烯内缺陷的显著影响，这种影响的内在机理尚不清楚。申请人计划利用球差校正透射电子显微镜表征单层石墨烯内部的缺陷结构、利用高性能扫描电子显微镜测量对应缺陷结构的二次电子发射性能，将二者结合起来，阐明影响二次电子发射性能的缺陷的结构和类型及其含量和二次电子产额之间的定量关系，并结合第一性原理计算揭示缺陷对二次电子发射的作用机理。本项目的实施将为确立单层石墨烯的结构-性能关系做出贡献、为稳定和调控单层石墨烯的二次电子发射性能提供科学依据和指导。

单层石墨烯的缺陷结构已被公认能够影响和调控单层石墨烯的多种性能。项目负责人在申请本项目之前发现单层石墨烯的缺陷能够提升其二次电子产额，该项发现可用于调节单层石墨烯的二次电子发射性能及其在真空电子器件中的应用，从而可为研制碳纳米材料基的真空电子器件提供一定的基础。但是，该发现的内在机制在本项目完成之前尚无任何报道。为此，项目负责人申请了本项目，在本项目的支持下通过结合球差校正透射电镜、高性能扫描电镜和第一性原理计算的使用，揭示四种影响单层石墨烯二次电子发射性能的缺陷结构，阐明它们对二次电子发射性能的作用机制为缺陷升高了荷电的单层石墨烯的最高已占分子轨道（HOMO）能级位置、使得二次电子更容易被发射，并据此得到缺陷含量与二次电子产额之间的定量关系为δ = 0.74Σi(ci•ΔiHOMO) + 0.17，其中，δ是二次电子产额、ci是编号为i的某种缺陷在单层石墨烯中的含量（即该种缺陷在0.027平方微米的石墨烯区域内的数量）、ΔiHOMO是单个的该种缺陷所诱导的HOMO能级位置的变化值（单位为eV）。同时，项目组发现不管缺陷的含量如何变化、单层石墨烯的二次电子产额始终低于单壁碳纳米管的，通过第一性原理计算揭示其机制是荷电对石墨烯HOMO能级位置的提升幅度和速度皆弱于对碳纳米管的。进一步，项目组探索了碳纳米材料的二次电子发射性能的应用，成功发展对单根单壁碳纳米管的逐点拨动与赝断成像，前者是对碳纳米管的超高精度力学调控、已成功用于测量碳纳米管的杨氏模量，后者是对碳纳米管弯曲形状和弯曲能量的监控、已成功用于测量碳纳米管的弯曲能量、其测量精度达3eV。以上成果首次阐明单层石墨烯的缺陷结构和二次电子发射性能之间的关系和作用机制、揭示单层石墨烯和单壁碳纳米管的二次电子发射性能之差异根源，为稳定和调控碳纳米材料的二次电子发射性能提供了一定的科学依据和指导，也为其应用提出和实现了新思路，从而为探索碳纳米材料的进一步基础研究和应用研究提供了一定的积累。