氧化石墨烯磁学性质的理论研究和建立实验可测模型

Spintronics could carry information better than traditional electronic devices, and experimental investigations about magnetism of graphene oxide have been reported, however the theoretical studies about how the structures of graphene oxide can generate magnetism are lacking. To design and expand graphene oxide can combine nanomaterials and spintronics together to approach future applications. Based on our previous studies, graphene oxide can possess ferromagnetism when hydroxyl groups connect with certain positions of surface (Nanotechnology 2011,22, 105702). Moreover, ferromagnetism can exist in epoxy groups on zigzag graphene ribbons, and this structure can obtain negative differential resistance as well (PCCP 2010,13,1413). This proposal is to investigate the effects of types, numbers and positions of oxygen groups in graphene oxide and set up a model; to study the effects of oxygen groups on zigzag graphene nanoribbons and introduce the parameters of edges to the model; to investigate the external effects including water and benzene. Finally the model for the effects of graphene oxide can be established through this project and can also be proved by the experiments. We wish the model can provide theoretical and technological support for future applications as well.

新型电子自旋器件能更好传输信息，并且实验上已经报道了氧化石墨烯的磁性研究，而对于氧化石墨烯的理论研究却较少涉及其可能产生磁性的结构。设计和拓展氧化石墨烯可以将纳米材料和电子自旋器件结合起来具有实际应用的意义。申请人已研究发现由氢氧基连接在特定位置的氧化石墨烯可以具有铁磁性（Nanotechnology 2011,22, 105702），另外环氧基在氧化锯齿形石墨烯纳米带也具有磁性且其自旋电流有负微分电阻性质（PCCP 2010,13,1413）。本项目计划进一步通过对含氧基团种类、数量和位置等来研究它们对磁性的影响并提出合理的模型；通过分析含氧基团在具有一定边缘形状的氧化石墨烯纳米带的磁学性质来进一步引进参数到模型中；考虑有水或苯等小分子存在情况下氧化石墨烯的磁学性质及模型参数。通过本项目实施有望建立合理的模型并且在实验上验证这个模型的参数，为将来的器件生产使用提供理论依据和技术支持。

新型电子自旋器件能更好传输信息，并且实验上已经报道了氧化石墨烯的磁性研究，而对于氧化石墨烯的理论研究却较少涉及其可能产生磁性的结构。设计和拓展氧化石墨烯可以将纳米材料和电子自旋器件结合起来具有实际应用的意义。本项目针对这个情况，提出了探索影响氧化石墨烯磁学性质的几个重要因素：含氧基团的种类、数量、位置、边缘形状和水苯等小分子，揭示影响的规律，并通过改善或者控制这些因素，从实验制备上指导合成出高性能的材料和相关电子器件。项目实行3年来，主要进行了如下四个方面的研究工作：. (1)研究了含氧基团种类、数量、位置对磁性的影响，还对比研究了其他基团对磁性的影响。我们发现各种含氧基团在外加电荷模拟掺杂下的磁性影响具有相似的性质，随着电荷的增加，磁性的大小的变化类似抛物线,这一现象明显不同于氢和氟对磁性的影响。不同基团不仅影响磁性的大小,还影响电荷分布和自旋分布。同时，利用官能团连接在特殊位置可以起到量子限域的现象，将自旋分布限制在一定的区域内。. (2)进行了相关的合成氧化石墨烯的实验工作，取得了一定的成果。我们主要通过溶液法和水热法来合成,发现样品具有不错的光学性质，特别是有很好双光子荧光的现象，可以应用于生物成像。同时还理论和实验上研究了不同酸碱条件下对含氧基团的影响，从而调控氧化石墨烯量子点的能隙。. (3)通过热还原的方法，可以控制石墨烯量子点的大小和结晶情况。随着温度的升高，量子点慢慢变大，但其结晶情况慢慢变差，同时碳的含量会变高，而氧的含量会降低。随着热还原的温度升高，吸收谱和发射谱都出现了蓝移的现象。进一步的发现，只有在较低温度下的热还原的氧化石墨烯量子点才具有双光子荧光现象。. (4)选取研究了三种典型的椅形石墨烯纳米带，分别含有Stone–Wales缺陷(SW缺陷)和在SW缺陷上再进一步氢化的结构。在理论研究中发现W9-SW具有很强的吸收谱，具有荧光的用途。W10-SW和W10-SW-H的激子结合能之差仅为0.08 eV，对于这么小的激子结合能意味着该结构在未来可以用于调控光学信号。. 综上，我们在该项目的支持下，基本完成了研究计划，得到了一系列有意义的结果，可以为后期的基础研究和潜在应用提供了一定的参考意义。.