石墨烯的定域化学修饰研究

Graphene, an ideal two-dimensional crystal, presents a series of novel physical properties. Because of its zero band gap, it is the key for graphene application in silicon-based conductive channel to open a band gap. Chemical modification of graphene offers an exciting direction to modulate its surface, electronic properties and prepare new carbon materials. This project would be focused on developing novel routes for chemical functionalization of graphene and modulating its electronic property. We hope to prepare graphene nanoribbons or nanomeshes by periodically chemical modification or chemical isolation, in order to open its band gap and simultaneously keep its high carrier mobility. This project is targeted at the development of the effective way for periodically chemical modification, modulation of band structure and electronic property as well as the development of characterization methods for investigation of nanoscale chemical reaction and fabrication of novel graphene derivative materials, which would provide a scientific basis and technical support for graphene chemistry.

作为理想的二维原子晶体，石墨烯呈现出诸多新奇的物理特性。石墨烯属于零带隙半导体材料，在应用于类硅基导电沟道时打开带隙是其应用的关键。化学修饰的石墨烯在表面改性、能带调控和获得性能优异的新型碳材料方面展现出巨大的应用潜力。本项目关注的是石墨烯的化学修饰新方法及其修饰后的电子学性质。我们希望在石墨烯二维表面上进行周期性或特定结构的化学修饰，用化学官能团隔离的办法制备石墨烯纳米条带或纳米孔洞，在保持石墨烯一定载流子迁移率的情况下打开带隙，对其实现电子学特性的调控。探讨石墨烯化学修饰的设计原则，建立纳米尺度下石墨烯周期性化学修饰的方法，获得性能优异的新型石墨烯材料。寻求特定的化学反应，探索石墨烯的不同边缘结构、维度上的化学反应性的差异。建立化学修饰对石墨烯能带调控的方法，发展调控石墨烯电子学的化学手段，为石墨烯化学的研究提供新的理论和实验依据。

我们立足于石墨烯的化学修饰方法、开展不同结构石墨烯的基本结构表征和电学性质研究，制备不同能带结构的石墨烯衍生物。在石墨烯的化学修饰、结构表征等方面取得的主要成果：1）实现了基于甲基化反应的化学边缘石墨烯纳米带的制备，用输运测量的手段监测了化学石墨烯纳米带的形成过程。制备得到了开关比从100到104的化学纳米带，利用低温输运测量证明了纳米带的半导体输运行为，并对其带隙进行了表征；2）发展了一种非掩膜的制备二维周期性石墨烯超晶格的方法，通过将石墨烯转移到周期性基底如二氧化硅小球阵列上，利用退火过程，引入周期性的应力，利用局域应力对石墨烯化学活性的增强，实现了石墨烯的周期性修饰，得到了化学修饰的石墨烯/石墨烯超晶格。；3）利用石墨烯与过氧化苯甲酰之间的光化学反应，研究了不同扭转角度的双层石墨烯的化学反应活性；4）利用原子力显微镜，发展了KPFM技术对不同结构石墨烯和扭转共振模式对液晶/石墨烯的识别表征技术。.项目启动以来，共发表SCI检索论文5篇，包括Nano Lett. 2篇、Adv. Mater. 2篇、ACS Nano 1篇，另有两篇论文在整理中。授权发明专利1项，项目承担人员参加国际学术会议4人次。联合培养博士生2名，博士后2名。