自由站立石墨烯的制备和物理特性研究

石墨烯特有的只有一个单原子层厚的二维结构和新奇的载流子输运特性使其成为国际上凝聚态物理研究的热门课题。纵观各种制备石墨烯的技术、对其各种物理特征和器件性能的研究几乎都是基于石墨烯附着在一定的支撑衬底或部分悬空的平面结构。然而对于只有一个原子层厚的二维石墨烯的本征物理特性的研究和认识，就要排除支撑衬底对石墨烯的影响（包括界面上物理和化学作用、衬底掺杂效应等），必须获得无支撑、自由状态的石墨烯。实现这种状态石墨烯的可能途径是获得自由悬挂或垂直站立的石墨烯。本课题将重点研究垂直站立石墨烯的制备技术，揭示垂直站立石墨烯的初始形核、生长机制和控制参数，形成具有自主知识产权的可控制备有序排列石墨烯条带或団簇的完备技术，为石墨烯材料本征物理特性的研究提供实验载体；同时，通过对石墨烯本征物理特性的研究和认识， 探索这种石墨烯材料或其复合材料的潜在应用，为开发基于自由站立石墨烯的新型功能材料和器件奠定基础。

石墨烯特有的仅有单原子层厚的二维结构和新奇的载流子输运特性使其成为国际上凝聚态物理研究的热门课题。纵观对石墨烯各种物理特征和器件性能的研究几乎都是基于石墨烯附着在一定的支撑衬底或部分悬空的平面结构。然而对于只有一个原子层厚的二维石墨烯的本征物理特性的研究和认识，必须排除支撑衬底对石墨烯的影响（包括界面上物理和化学作用、衬底掺杂效应等）。所以获得无支撑、自由状态的石墨烯是研究石墨烯本征特性的前提。实现这种状态石墨烯的可能途径是获得自由悬挂或自由站立的石墨烯。本课题重点研究了可控制备站立石墨烯的关键技术；发现了自由站立石墨烯的形核、生长机制和控制参数；基于不同取向的SiC晶片制备出具有不同形貌和排列规律的自由站立石墨烯。基于宏量、高纯的自由石墨烯材料，对石墨烯的本征非谐声子效应、场发射效应和石墨烯片的本征磁性等方面进行了深入的研究。首次从实验上揭示了石墨烯的非谐声子效应和起因，首次揭示了狄拉克费米子抗磁性与磁场的非线性变化规律，证明了石墨烯zigzag边存在铁磁有序。对石墨烯本征物性原创性研究成果，对利用和拓展石墨烯在光（热）电和自旋电子器件的应用提供了科学依据。另外，本课题制备的高质量宏量石墨烯在超级电容器、染料敏化电池中展示出优于其它宏量石墨烯的优异性能，有可能对石墨烯在能源领域的应用打开突破口。