缺陷型氟化石墨烯的退火和磁学性能研究

The magnetic graphene has great potential in novel spintronic devices because of the long spin diffusion.The project is based on the summary of our preliminary work on the study of the synthesis and magnetic properties of fluorinated defective graphene，we will regulate and control the magnetic properties of the fluorinated dective graphene via thermal annealing and defluorination. It Mainly includs the following several aspects: (1)By tuning the reaction conditions of thermal anealing , we try to investigate the carbon vacancies density, F doping content, and concentration of small F clusters; (2) By studying the dependences of the three factors on spin density, magnetic coupling between spins, and magnetic properties of these samples, we can regulate and control the magnetic properties of fluorinated graphene, and expect to obtain fluorinated graphene with high-density and magnetically coupled localized spins. 3) Lastly, by using first-principles calculations based on the density functional theory, we will intend to set up some theoretical models, and study the defluorination and the consequent change of magnetic properties of fluorinated defective graphene, which may provide reasonable explanation on the experimental results. In short,with the combination of experimental and the theoretical analyses, the project is expected to explore the magnetic origin and the coupling mechanism of the fluorinated defective graphene, which can provide experimental and theoretical basis for its application.

磁性石墨烯由于具有很长的自旋相干长度，使其在自旋电子学器件具有巨大潜在应用。本项目在总结氟化缺陷型石墨烯的控制合成及初步磁性研究基础上，拟对缺陷型氟化石墨烯退火去氟及磁性调控。主要包括以下几个方面：（1）对缺陷型氟化石墨烯退火去氟，实验探讨氟化石墨烯的碳缺陷浓度、氟掺杂量、氟的小团簇浓度的控制条件； （2）氟化石墨烯的碳缺陷浓度、氟掺杂量、氟的小团簇浓度对其局域自旋浓度、自旋耦合的依赖关系，利用制备条件实现对氟化石墨烯的磁性的调控，以期通过热退火获得具有高浓度、强耦合局域自旋的氟化石墨烯；（3）建立理论模型，利用第一性原理研究缺陷型氟化石墨烯的脱氟和磁学性能变化，对实验结果进行合理的解释。总之，本项目期望通过实验与理论结合，研究缺陷型氟化石墨烯的磁性来源和耦合机制，为其应用提供实验和理论依据。

近年来，有关碳基材料的磁性引起了研究人员的极大兴趣。发展有效的方法去合成具有高磁化强度和磁有序的石墨烯，在实际应用中至关重要。本项目通过改变氟化石墨烯的制备及热退火的实验条件，初步实现对缺陷型氟化石墨烯的磁性调控。. 研究发现： ①具有越多的残余含氧官能团的还原石墨烯,则有更高的化学活性，越容易被氟化成为高氟化石墨烯，具有的碳空位缺陷浓度越高。②利用二氟化氙直接氟化氧化石墨烯（GO），GO上的羟基和羧基容易被氟自由基替代。氟化石墨烯的热稳定性与碳空位缺陷的浓度紧密相关。得到的氟化石墨烯，由于具有高碳空位缺陷浓度，在810 K退火后可以得到轻度掺杂F的石墨烯量子点。吸附在石墨烯边缘的氟原子能够阻止很多磁性zig-zag边缘的重建及钝化，从而使石墨烯量子点具有强的顺磁性。③利用二氟化氙氟化被还原的氧化石墨烯（RGO），得到碳空位缺陷浓度较低的氟化石墨烯。在适当的温度下对其热退火，使本来只具有顺磁性的氟化石墨烯能够出现铁磁性行为。这主要是由于在退火过程中大的氟团簇分化成很多小的氟团簇，增加了氟团簇的边缘效应，从而增加了氟化石墨烯的局域自旋浓度。总的来说，氟化石墨烯的磁学性能对氟化石墨烯上氟的掺杂量及分布有很强的依赖性。当自旋局域磁矩的浓度足够大时，能够缩短不配对自旋磁矩的平均距离，有利于石墨烯材料获得长程有序的磁状态。. 此外，我们还开展了一些原计划没有列入的工作，制备NiSnO3/石墨烯复合材料，并应用于锂离子电池负极中，发现掺杂改性后的复合材料具有很好的电化学性能。另外，将高度取向的多层碳纳米管薄膜与轻薄聚合物薄膜结合制备成超快速的电致动器，性能显著优于此前报道的同类型电致形变材料。