石墨烯和碳纳米管对SiO2气凝胶负极材料的改性

为了缓解二氧化硅(SiO_2)负极材料的体积膨胀开裂,改善其电化学性能,通过溶胶-凝胶法制备出三维网状结构的SiO_2气凝胶纳米材料及其石墨烯改性材料(rGO/SiO_2)和碳纳米管改性材料(CNT/SiO_2),研究石墨烯和碳纳米管改性对SiO_2气凝胶负极材料的储锂性能影响.利用X射线衍射分析仪、光电子能谱仪和扫描电子显微镜进行表征.电化学性能研究表明,石墨烯和碳纳米管改性提高了SiO_2气凝胶负极材料的导电性、充放电比容量和库伦效率,其中CNT/SiO_2提升作用更加显著,循环稳定性能最好.因此,在减轻材料体积膨胀和结构开裂、粉化,增加SiO_2气凝胶负极材料的导电性方面,碳纳米管改性优于石墨烯改性.     

采用紧束缚格林函数法研究原子吸附石墨烯纳米带电子输运

采用紧束缚非平衡格林函数法分析了扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)和锯齿形石墨烯纳米带(ZGNR)器件吸附H、F、O和OH这4种原子的电子输运特性。用π电子结构体系的紧束缚理论分析了GNR的电子结构;用紧束缚扩展休克理论计算了GNR碳原子与所吸附原子间的电子相互作用;用非平衡格林函数法仿真了GNR吸附原子后的电流特性。研究结果表明:在平衡态下,AGNR吸附H原子后对器件的输运谱影响最大,而吸附OH原子后使GNR的禁带宽度增加0.3eV;在非平衡态下,吸附H原子不仅增加了导带底附近态密度,而且直接在禁带引入了杂质能级,从而提高了AGNR器件产生的电流;H原子吸附在ZGNR器件产生的电流约是吸附在AGNR电流的1.5倍;H原子吸附在GNR非边界处比吸附在边界处产生的电流高。该研究结果可以对提高石墨烯气敏传感器和生物传感器的灵敏度提供理论基础。     

磷烯硼碳二磷异质结电子输运性质的掺杂调控

利用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理计算方法,研究了有限偏压下扶手椅边缘和锯齿边缘磷烯-硼碳二磷(P-BC_2P)范德瓦尔斯异质结的电子输运性质,以及N型电子/P型空穴掺杂对2种边缘形貌异质结电子输运性质的影响.研究结果表明:(1)有限偏压下,2种边缘形貌P-BC_2P范德瓦尔斯异质结均呈现非线性变化和负微分电阻效应.扶手椅边缘P-BC_2P异质结的电流增长快于扶手椅边缘磷烯纳米带,锯齿边缘P-BC_2P异质结的电流增长慢于锯齿边缘磷烯纳米带.(2)掺杂浓度0.001～0.01 e/atom范围内,N型电子/P型空穴掺杂能有效调控P-BC_2P异质结的电导.相比未掺杂,扶手椅边缘P-BC_2P异质结的电导在P型空穴掺杂时最多增加和最多减少均为20%,在N型电子掺杂时最多减少46.7%;锯齿边缘P-BC_2P异质结的电导在P型空穴掺杂时最多增加196%,在N型电子掺杂时最多增加164%.     

基于碳纳米材料的柔性薄膜器件研究

近年来,可穿戴或贴合式的传感器在实时生理监测、特殊环境信号检测等领域的需求日益凸显,柔性传感器成为当前研究的热点.碳纳米管(CNT),由于其独特的电学和力学性能,在新型电子器件的发展中扮演着越来越重要的角色.本文介绍了几类典型的基于碳纳米管的柔性红外传感器和微压力传感器.在柔性红外传感器的研制中,利用碳纳米管与SiO_2的界面以及不同掺杂的CNT形成的p-n结,设计和制备了两种不同类型的高灵敏度柔性红外传感器,实验结果证明界面载流子行为对传感器的响应速度有重要的影响.另一方面,利用碳纳米管的优秀导电性,设计和制备了两种力传感器.通过银纳米颗粒修饰的碳纳米管制备的柔性拉力传感器,兼具高拉伸度和高灵敏度,具有优秀的应变系数.此外,利用碳纳米管和三棱锥的微结构制备了响应灵敏的微压力传感器,具有优秀的响应幅度与响应速度.     

碳纳米管-铜纳米线复合结构的形成和热力学稳定性

通过分子动力学的方法研究了碳纳米管填充一定数量的铜纳米粒子形成碳纳米管-铜纳米线(CNT/CuNW)复合结构的过程.通过构象演变和体系能量的变化,可以将整个的铜粒子填充碳纳米管的过程中可分为三个过程:构象调整,填充吸附和构象稳定.对比分析高温下包裹和填充形成CNT/CuNW复合结构的变化,可以看出填充形成的CNT/CuNW的稳定性比包裹形成的CNT/CuNW的稳定性要好.通过径对径向分布函数的分析,可以进一步确定,在填充形成的复合结构的熔点要比包裹形成的CNT/CuNW的高,这主要归因于碳纳米管高的热稳定性.     

两类异质结构中光生电荷分离效率与光电性质

首先制备Cu4Bi4S9纳米带与石墨烯不同比例复合体系(CBS-graphene),其中石墨烯质量分数分别为:0.4%,0.8%,1.2%,1.6%,2.0%和2.4%.以α-Fe_2O_3为电子受主,CBS和CBS-graphene为电子施主,制备成α-Fe_2O_3/CBS、α-Fe_2O_3/CBS-graphene两类异质结构及体相异质结太阳能电池.XRD检测结果表明,异质结两组分都达到了良好的结晶状态;而且,两类复合体系都呈现出了复合结构的光吸收特性,但光吸收性质无明显差异.对于CBS-graphene,随着石墨烯含量逐步增加其光伏性质逐渐增强,当石墨烯质量分数为1.6%时达到最佳光伏响应强度,此后其光伏性质逐渐减弱.稳态和电场诱导表面光电压谱表明两类异质结都具有优越的光伏性质,但α-Fe_2O_3/CBS-graphene呈现出明显优于α-Fe_2O_3/CBS的光伏响应.基于石墨烯质量分数为1.6%,α-Fe_2O_3/CBS和α-Fe_2O_3/CBS-graphene两类体相异质结太阳能电池最高光电转换效率分别为3.1%和6.8%.从异质结厚度、能级匹配、石墨烯导电网络以及优越的电子传输特性几个方面,详细讨论了光生电荷分离的影响因素及光生电荷传输动力学.     

2015-04 国内期刊亮点

制备出优良性能的功能化氧化石墨烯纳米带/乙烯-乙酸乙烯共聚物石墨烯纳米带(GNRs)是一种由碳原子构成的单层条状结构的不渗透材料,在高阻隔应用领域具有较大的发展前景。但其制备较困难,而GNRs的前驱体——氧化石墨烯纳米带(GONRs)虽制备简单、抗渗透性优良,但在部分有机溶剂中分散性很差,限制了其在复合材料领域的应用,因此寻找一种行之有效的改性剂/方法来对其进行改性是一项很有意义的工作。研究采用纵向氧化切割多壁碳纳米管(MWNTs)     

半金属石墨烯纳米带的研究

半金属性在以自旋为基础的电子学中具有潜在的应用价值。本文利用第一原理计算描述了纳米尺寸GNR的半金属性质,计算结果表明：对锯齿型石墨烯纳米带加一个均匀一致的横向电场时,即可使锯齿型纳米带转变为半金属,实现体系半导体-半金属转变。这一结果对理解电场和固体中电子自旋自由度相互作用方向具有科学意义,同时为制备石墨片基纳米尺度自旋器件开辟了道路。     

PAN/CNT复合纳米纤维膜的制备及其红外辐射特性

采用静电纺丝技术制备了聚丙烯腈/碳纳米管(PAN/CNT)复合纳米纤维膜,利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪和拉曼光谱仪对CNT质量分数不同的PAN/CNT复合纳米纤维膜进行了表征和分析,并利用紫外可见近红外光谱仪和配备有积分球的傅里叶变换红外光谱仪对PAN/CNT复合纳米纤维膜在可见光和红外光段的辐射特性进行了测试和考察。结果表明:静电纺丝技术可制备CNT分布均匀的PAN/CNT复合纳米纤维膜;相较于纯PAN纳米纤维膜,PAN/CNT复合纳米纤维膜的可见光谱和红外光谱吸收率显著增强,且随着CNT质量分数的增加,复合纳米纤维膜的红外光谱吸收率呈增大趋势。研究结果为PAN/CNT复合纳米纤维膜在太阳能光热转化和中红外辐射领域的进一步应用提供了理论依据。     

石墨烯纳米墙/硅纳米线阵列太阳能电池的制备及其性能

硅纳米线阵列(SiNWA)因其优异的陷光性在石墨烯/硅异质结太阳能电池研究中引起了广泛关注.然而平面结构的石墨烯难以与SiNWA形成包覆结构,严重影响了器件的光伏性能.该文采用等离子体增强化学气相沉积法直接在SiNWA上生长石墨烯纳米墙(GNWs),与SiNWA形成核壳结构,增加了器件的有效结区面积并抑制了硅纳米线表面的载流子复合;研究了生长时间对GNWs的晶体质量、光学和电学性能、形貌的影响.结果表明:所制备的GNWs可形成良好的导电网络并表现出p型掺杂;随着生长时间的延长,GNWs的透光性下降,导电性增强,对SiNWA的包覆性变好;当GNWs生长时间为120 s时,制备的GNWs/SiNWA太阳能电池获得了4.11%的最佳光电转换效率.该研究为制备低成本、高效率的石墨烯/硅太阳能电池提供了一条工艺简单而有效的途径.     

构筑高性能的二氧化锰/石墨烯超级电容器

三维泡沫镍(Ni)基石墨烯(graphene)结构具有理想的自支撑特性,但却受制于有限的容量.以三维Ni基graphene为催化基底,通过一步水热法,在三维Ni基graphene骨架上形成二氧化锰/石墨烯/泡沫镍(MnO2/gra-phene/Ni)的异质结电极.MnO2的形貌随着水热反应温度的增加而呈现出纳米花状、纳...     

应变和电场调控HfSe_2/PtSe_2异质结的电子结构

本团队通过基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统地研究了HfSe_2/PtSe_2范德瓦尔斯异质结(van der Waals heterostructures, vdWHs)的电子性质,包括堆垛方式、层间耦合、应变和外电场的影响.发现堆垛方式可以调节能带对齐类型——AA, AB′和AC′堆垛时为Ⅱ型, AB, AC, AA′则为Ⅰ型.在六种堆垛方式中,AA堆垛是最稳定的,其层间距为2.87?,带隙为1.0 eV, Ⅱ型的能带对齐方式有利于电子-空穴载流子的分离.进一步的计算表明, HfSe_2/PtSe_2异质结的电子性质可以通过垂直应变和双轴面内应变有效调节:在施加应变或改变层间距后,可以在HfSe_2/PtSe_2异质结中观察到从Ⅱ型到Ⅰ型能带对齐类型的转变;不仅如此,压缩应变和层间耦合还可以有效调控异质结的带隙大小.本研究将为未来HfSe_2/PtSe_2异质结在纳米电子及光电设备中的应用提供理论基础.     

ZnO不同微结构/ZnFe_2O_4复合薄膜光生电荷热动力学与光电性质研究

采用不同方法分别制备出ZnO纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米管4种微结构,以ZnFe2O4为无机染料敏化剂在ITO透明导电玻璃上制备成ZnO不同微结构/ZnFe2O4异质结.XRD检测结果表明,所有复合结构中两种组分都达到了良好的结晶状态;而且,各复合薄膜体系都呈现出了异质结复合结构的光吸收特性,但光吸收性质差异不明显.稳态表面光电压谱测试结果表明,各异质结构都呈现出优于单一组分的光伏响应特性;而且,4种异质结构光伏性质呈现出:ZnO纳米管/ZnFe2O4ZnO纳米棒/ZnFe2O4ZnO纳米线/ZnFe2O4ZnO纳米颗粒/ZnFe2O4的特点.在较弱正外电场诱导下,复合薄膜仍然保持稳态下的光伏响应特性;随着外电场逐步提高,ZnO纳米颗粒/ZnFe2O4光伏性质增加非常明显,在+2V电压诱导下,ZnO纳米颗粒/ZnFe2O4已接近ZnO纳米管/ZnFe2O4的光伏响应强度,并明显高于另外两种异质结构的光伏性质.从光阳极微结构、自由电荷扩散长度、空间电荷区厚度、载流子参数、内建电场和能级匹配几个方面,详细讨论了ZnO/ZnFe2O4异质结中光生电荷分离的影响因素以及光生电荷传输机制.     

碳纳米管/石墨烯/铋膜修饰碳糊电极测定铅和镉

用碳纳米管(CNT)、石墨烯(GR)、铋膜修饰碳糊电极构建碳纳米管石墨烯铋膜修饰碳糊电极(CNT/GR/Bi/CPE),并用差分脉冲伏安(DPV)法测定了铅和镉的含量。在最优条件:电解质缓冲底液p H为5.5,沉积时间50 s,沉积电位-1.3 V,用碳纳米管石墨烯铋膜修饰碳糊电极(CNT/GR/Bi/CPE)同时测定Pb2+和Cd2+得线性方程分别为:IPb2+(A)=-5.8202?10-6-1.0342c(mol/L)(R=0.9978);ICd2+(A)=-3.9781?10-6-1.3651c(mol/L)(R=0.9923),线性范围分别为1~15μmol/L和2~16μmol/L,Pb2+、Cd2+的检出限分别为:6.67?10-7 mol/L;3.33?10-7 mol/L。本方法操作简单且修饰电极稳定性、重现性好易于进行检测铅镉离子。     

单壁碳纳米管超声裂解制备石墨烯纳米带

将单壁碳纳米管仅通过气相氧化和超声裂解两步制备出了石墨烯纳米带,采用透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)对制备出的石墨烯纳米带进行形貌和结构分析。结果表明,此方法制备的石墨烯纳米带宽度狭窄、边缘光滑,并且相比于刚性的单壁碳纳米管具有良好的柔韧性,大约为2nm的厚度也说明了石墨烯纳米带的双层结构。在气相氧化和超声裂解的过程中,拉曼光谱中D峰与G峰的比值始终保持在0.15左右,表明在整个制备过程中,并没有引入新的缺陷。此方法相比于其他方法制备出的纳米带具有结晶度高、宽度狭窄、边缘光滑等优点。     

CNT/Fe-Ni-TiO_2/ZnO多孔复合膜的组装及其制氢性能

以聚苯乙烯(PS)微球为模板,通过溶胶凝胶法在导电玻璃(FTO)和镍片上负载掺杂铁、镍的复合纳米TiO_2-ZnO有序多孔膜。以多孔膜中的铁、镍为催化剂,通过化学气相沉积法(CVD)原位生长碳纳米管(CNT),得到CNT/Fe-Ni-TiO_2/ZnO/FTO(Ni)三维交互多孔复合膜。场发射扫描电镜观察发现,当TiO_2-ZnO前驱体中TiO_2与ZnO的体积比为3∶2时,复合膜中孔排布的规整性较好。采用X射线衍射仪、紫外-可见吸收光谱、电化学阻抗谱分析和光催化辅助电解水制氢等仪器和手段考察多孔复合膜的结构与性能,结果表明:孔结构的规整性、TiO_2-ZnO异质结和CNT与复合膜形成的三维网络结构有利于提高光生电子-空穴对的分离效率和复合膜材料的光催化活性。     

异质结光生电荷分离机制与光电性质研究

将不同质量分数还原氧化石墨烯(RGO)与Cu_4Bi_4S_9(CBS)纳米带复合,制备成不同比例复合体系(CBS-RGO).以ZnO纳米线为电子受主,CBS或CBS-RGO为电子施主,详细研究了ZnO/CBS、ZnO/CBS-RGO两类异质结构及对应体相异质结太阳能电池的光电性质.随着RGO含量逐步增加,CBS-RGO对应稳态光伏性质逐渐增强,当RGO达到1.6%时,CBS-RGO具有最佳光伏响应强度,随后其光伏性质逐渐减弱.此外,ZnO/CBS-RGO呈现出了优于ZnO/CBS的光伏响应特性.在相同正外电场作用下,ZnO/CBS-RGO同样具有明显优于ZnO/CBS的光电性质;逐步提高外电场,ZnO/CBS-RGO光伏响应增加更为显著.基于1.6%RGO,ZnO/CBS、ZnO/CBS-RGO两类体相异质结太阳能电池最高光电转换效率分别为1.5%和3.6%.从异质结厚度、能级匹配、CBS与RGO接触界面、RGO导电网络及其优越的电子传输特性几个方面,分析了体相异质结构中光生电荷分离的机制以及多通道协同传输对光电性质的作用.     

局部扭转形变下典型armchair型石墨烯纳米带的力电特性

将密度泛函理论与非平衡格林函数方法相结合,选取了宽度为11根碳原子链、边缘H钝化的armchair型石墨烯纳米带为模型,系统研究了局部扭转形变对石墨烯纳米带力电特性的影响.结果表明,随着扭转角度的增加,armchair型石墨烯纳米带的结构依次经历了弹性形变、塑性形变直至完全断裂.局部扭转形变对armchair型石墨烯纳米带的力电特性有显著影响,表现出了依赖于形变过程的输运谱和伏安特性.     

国外科技期刊亮点

生成石墨烯纳米带新方法 “石墨烯纳米带”（GNRs）是被拉长的石墨带,厚度为一个原子,它能够随宽度的不同表现出不同的电子性能。这种可调节性使得它们比碳纳米管在某些应用中更具吸引力。2009年4月16日出版的《自然》（Nature）杂志上,两个研究团队分别报道了由碳纳米管生成GNRs的方法。     

掺杂armchair石墨烯纳米带电子结构和输运性质的研究

基于第一性原理计算,研究了B/N掺杂对宽度为N(a)=3p+2=11的扶手椅(Armchair)型石墨烯纳米带电子结构和输运性质的影响.杂质的存在使得扶手椅型石墨烯纳米带的能隙增大,并在能隙中出现了一条局域的杂质态能带,杂质的位置也影响其能带结构.另外,杂质的存在还引起输运过程中的电子共振散射,其特点与掺杂种类、掺杂位...