大尺寸"白石墨烯"的可控制备及其形成机理研究

"白石墨烯"是六方BN的石墨烯类似物，对于它的研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。目前，在"白石墨烯"的制备领域中主要存在两个瓶颈问题：一是难以将尺寸做大(直径达到厘米量级)；二是难以有效地控制层数。本项目提出一种能够层数可控地制备大尺寸"白石墨烯"的新方法。其核心是利用B原子和N原子在非晶SiO2薄膜中的溶解和析出过程来制备大尺寸"白石墨烯"，通过控制SiO2薄膜的厚度以及B原子和N原子在薄膜中的溶解度来实现对薄膜中B原子和N原子数量的控制，进而实现对析出的"白石墨烯"的层数的控制。该方法与制备一维纳米材料所常用的气-液-固(V-L-S)方法有相似之处。本项目将重点研究SiO2薄膜厚度和生长温度对大尺寸"白石墨烯"层数的影响，揭示"白石墨烯"形成的微观机制。该项目的实施将会解决大尺寸"白石墨烯"制备的瓶颈问题，为进一步研究"白石墨烯"的性能及应用奠定基础。

以石墨烯为代表的二维纳米材料已成为材料科学的研究热点之一。六方BN与石墨具有类似的层状晶体结构，素有“白石墨”之称。研究BN的石墨烯类似物——二维BN纳米材料(即“白石墨烯”)已成为纳米材料发展的必然趋势。本课题在前期工作的基础上，开展了二维BN纳米材料的制备工艺、机理及性能研究。主要研究内容包括：大尺寸二维BN薄膜的可控制备(见第二章)；二维BN纳米片的规模化制备及应用(见第三章和第四章)。同时，在该项目的执行过程中我们还有许多新的发现，为下一步的科研工作开启了思路(见第五章和第六章)。经过项目组成员的努力，研究计划总体上得到了较好的完成，取得了如下成果：(1) 以氨硼烷为先驱体，在SiO2/Si衬底上首次成功制备了大尺寸BN薄膜(尺寸大小由衬底的大小决定)。该薄膜具有类似于乱层石墨的结构。此外，该BN薄膜还表现出奇特的拉曼光谱效应，相对于BN的拉曼峰发生了蓝移和宽化，这也是本项目首次发现的现象；(2) 以氨硼烷为先驱体，采用气压热处理工艺，成功制备出二维BN纳米片。该方法具有工艺简单，适于规模化生产等特点，是本项目组首次提出的方法。该BN纳米片具有优异的紫外发光性能，有希望在紫外发光器件上获得应用；(3)研究了原位生成的二维BN薄片对Al2O3/ZrO2陶瓷强度、韧性及可加工性的影响。发现二维BN薄片的引入能够在保持Al2O3/ZrO2陶瓷强度和韧性的条件下，提高其可加工性；(4) 研究了原位生成的二维BN薄片对石墨块体材料强度和抗氧化性的影响。发现BN二维薄片的引入能够将石墨块体材料的抗氧化性从450 oC提高到650 oC；(5) 在制备二维BN纳米材料的过程中，我们首次发现在合适的工艺条件下，同样用氨硼烷作为先驱体，可以制备BN纳米空心球，该空心球表现出良好的透波性能，在军事领域有重要的应用价值；(6) 同样在制备二维BN纳米材料的过程中，我们还发现将B粉和ZnO球磨后放在氨气气氛条件下加热，可以制备一维Zn/ZnO核壳结构，并且产量较大。同时首次对这种一维Zn/ZnO核壳结构的吸波性能进行了研究，发现其具有优良的吸波性能。总之，在该项目的资助下，目前项目组已发表SCI学术论文7篇(另有1篇处于修改状态)，最高影响因子3.8；获授权发明专利2项(另有1项处于实质审查阶段)；获黑龙江省科学技术奖一等奖1项。此外还有一些成果正在整理中，将于近期发表。