基于光催化反应的石墨烯剪纸电子学

石墨烯是由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状的晶格结构，具有独特的量子效应和电子性能，有望替代硅用于构建后微电子时代纳电子器件和集成电路。本项目关注的是基于半导体光催化反应的石墨烯剪纸电子学。立足于石墨烯的光催化剪裁、结构的精细调控及其电学性能的调控。利用微加工技术、化学方法制备各种图案化模板，将扫描探针显微技术引入研究体系，采用光催化反应实现石墨烯的图案化、定点切割及逐层剪薄，建立光催化可控剪裁石墨烯的方法，系统研究反应温度、湿度、气氛等实验条件对剪裁精度与效率的关系，寻找最佳反应条件；利用经剪裁的石墨烯构筑纳米尺度的原型器件，研究石墨烯的电子输运特性、能带结构随边缘结构、尺度等变化规律；通过可控剪裁实现石墨烯的能带调控，探索开发石墨烯的剪裁和电子学调控方法，揭示内在的物理机制。该研究对于石墨烯的结构、性能调控与应用将产生重要影响，为在单片石墨烯内进行器件的设计提供新的理论和实验依据。

我们立足于石墨烯的光催化剪裁、结构的精细调控及其电学性能的调控，在光催化反应的石墨烯剪纸电子学研究等方面取得了重要突破。具体而言，1) 建立了石墨烯的光催化可控剪裁方法，系统研究了反应温度、湿度、气氛等实验条件对剪裁精度与效率的影响，并研究了光催化剪裁的反应机理，实现石墨烯的图案化、定点切割及逐层剪薄，利用经剪裁的石墨烯构筑了纳米尺度的全碳原型场效应晶体管器件；Nature对该项成果进行了Highlight，称之为“化学剪刀”，指出这是制备全碳器件的有效方法。2）在石墨烯光催化反应的研究基础上，还进一步拓展了石墨烯自由基反应与能带工程的研究，建立了光氯化、光致甲基化、三氟甲基化等新的自由基加成方法，实现了石墨烯碳-碳键的修饰和能带调控，还首次实现了石墨烯的非对称双面化学修饰，成为在石墨烯能带工程、表界面特性调制、和电子学性质调控领域的新的增长点。3）针对“石墨烯电子学”的材料基础，我们还重点开展了石墨烯的可控制备研究，建立了基于“过程工程学”原理的石墨烯化学气相沉积生长方法学，即通过生长基元步骤的设计与调控，发展了合金催化剂法、偏析生长法与共偏析生长法、范德华外延法、调制掺杂法、量子反点与缝补生长法、褶皱工程法等多种生长方法，实现了高质量绝对单层石墨烯、AB堆垛双层石墨烯、石墨烯纳米带阵列、石墨烯-氮化硼杂化结构、单晶石墨烯PN结和化学掺杂石墨烯的大面积、可控生长，并研制了石墨烯基原型光电器件，为石墨烯电子学的发展奠定了坚实的基础。. 共发表SCI检索学术论文34篇，其中影响影子大于7.0的论文24篇，占论文总数的70.6%，包括Nature Communications 3篇、Nature Chemistry 1篇、J. Am. Chem. Soc. 2篇、Nano Lett. 5篇、Adv. Mater.3篇、ACS Nano 7篇。