低维碳材料水伏效应的传感应用

以碳纳米管和石墨烯为代表的低维碳材料在与液体作用时,表现出一系列新的生电效应,如波动生电、射流生电、液滴生电、蒸发生电、湿度生电等,这些现象被统称为水伏效应,并成为近年低维功能材料领域研究的新热点.这些发生在固-液界面或固-液-气界面的生电效应为基于新型能量转化原理的能量捕获技术开辟了新的方向,也为基于固-液界面的传感探测提供了新的途径.本文总结了水伏效应在流体运动、溶液浓度、湿度、温度等方面的传感应用潜力,旨在为新型界面自驱动传感器件和传感系统的开发提供借鉴.     

石墨烯的组装和织构调控:碳功能材料的液相制备方法

石墨烯是sp2杂化碳质材料的基本结构单元,为构筑具有特定结构和功能的碳质材料带来新的契机.通过石墨烯/氧化石墨烯的液相组装和组装体织构的二次调控可以实现新颖碳功能材料的可控制备,这种液相制备方法实现了碳结构单元在溶液相直接自组装构建固相碳质材料.相比较而言,碳功能材料制备的经典方法,如固相炭化方法侧重于材料宏观尺度的结构和形态调控(如炭纤维),气相沉积方法长于在微观层面实现材料结构控制(如碳纳米管);而这种基于石墨烯自组装的液相制备方法架起了从微观到宏观的桥梁,实现了材料介观织构的精确构建.结合本课题组近年来的研究工作,本文对与石墨烯相关的液相结构组装和组装体织构调控方面的研究进展进行了简要评述和前景展望,并着重介绍了几种新颖的石墨烯基多孔碳功能材料.     

碳纳米管和石墨烯人工肌肉

碳纳米管、石墨烯是近20年崛起,集优异的电学、力学、电化学、电机械等性能于一身的新型纳米材料,在材料、能源、环境、尤其在人工肌肉领域已取得了卓越的进展和成果.人工肌肉是一类能将外部刺激如光、热、电等转换成机械能输出的驱动器.碳纳米管和石墨烯离子型驱动器以其能在较低的电压下,表现出大的弯曲形变和高的空气中循环稳定性,在众多种类的驱动器中成为了科学研究的重点.该驱动器由两电极层以及夹在两电极层之间的聚合物电解质层组成,其致动过程主要受电场下离子在电极层和电解质层中的扩散迁移控制.本文主要综述了碳纳米管和石墨烯作为电极的离子型驱动器工作原理、发展现状;分析了碳纳米管和石墨烯离子型驱动器发展中限制驱动性能进一步提高的几个关键性问题以及遇到的挑战;在此基础上,提出一些具有建设性的方案以及对未来碳纳米管和石墨烯离子型驱动器领域的展望.     

阴阳互补策略用于双重响应驱动器的设计与制备

正在智能系统中,驱动器与传感器并列为重要的两类器件,各种各样的传感器负责感知外界信号,驱动器则可以根据周围环境变化发生形变,将各种环境能量(例如:光能、热能、化学能等)转换为机械能从而驱动相应的部件进行工作,是微机电系统(MEMS)、自适应光学、无人驾驶等应用前景中不可或缺的核心部件.在驱动器制备方面,普遍采取的方法是将多种具有不同物理/化学性质的材料组装成双层或多层结构.依靠不同材料对环境变化具有不同响应的特点,实现刺激响应驱动.通过这种方式,驱动器不需要耦合外部能量供给系统,可以直接从环境中获得能     

应变扭转双层石墨烯

扭转双层石墨烯是由两层石墨烯进行简单旋转再堆叠形成的二维莫尔超晶格材料,具有一系列超晶格依赖的奇特物理性质,如超导态、磁性态、局域态等,是近年来凝聚态物理和材料等研究领域最令人振奋的进展之一.然而,石墨烯莫尔超晶格材料与器件的研究依然面临着诸多挑战,其中最大的困扰在于扭转角和应变的无序性,严重影响了材料和器件的目标性能.围绕扭转双层石墨烯中的应变,本文总结了近年来相关理论和实验研究的进展,重点介绍了内在应变的起源和存在形式、莫尔超晶格结构的公度-非公度相转变、层间结构弛豫以及外加应变对材料性能的影响和调控.本文进一步讨论了该领域现存的问题,展望了未来的发展趋势,旨在促进应变扭转双层石墨烯的基础研究与实际应用.     

基于纳米碳的水伏材料及其能量转换器件

如何收集和转化自然界巨大的水能资源是近年来研究的焦点.自碳纳米管被发现具有在流水中产生电信号的性质以来,以纳米碳为主的水伏材料因具有独特的"水生电"特性引起广泛的研究兴趣.水能资源具有采集难度低、存在范围广、储量丰富等特点,主要以液态水、气态水两种形式存在.碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料通过双电层理论和电动理论捕获雨水、水流、波浪等液态水能,而具有多孔结构、高比表面积、氧浓度梯度的碳量子点、碳黑、氧化石墨烯等则利用其独特的结构,实现对气态水能的转化利用.本文系统总结了纳米碳材料将液态、气态水中蕴含的机械能、化学能转化为电能的研究进展以及其能量转换器件;阐述了不同纳米碳和相关器件对水能的转化原理,并指出了水伏材料与器件发展过程中需要面对的挑战以及可能的发展方向.     

石墨烯导电墨水研究进展:制备方法、印刷技术及应用

传统印刷技术与微电子制造的交叉技术——印刷电子技术的发展得益于微纳米材料制备技术的成熟.二维纳米碳材料石墨烯由于其独特的结构和突出的性能,可与传统金属或高聚物材料共同作为导电墨水主要导电组分.本文讨论了目前石墨烯导电墨水制备中的关键问题、不同制备方案及其优劣之处;评述了石墨烯导电墨水印刷工艺的研究进展,包括传统印刷技术和新型印刷技术中的应用与难点.最后,总结了石墨烯导电墨水在柔性功能器件(基本电路元件、能量存储和力学/化学传感器件等)中的应用现状.     

湿气发电机的研究进展、应用和展望

随着化石资源的枯竭和环境污染的加剧,人类对绿色可再生能源的需求与日俱增.开发新型绿色能源是缓解能源危机的有效方法之一.水作为一种丰富的可再生资源,能够通过流动、蒸发、扩散等运动实现能量转换.水分子在地球表面的主要存在形式包括固态、液态和气态3种.为有效利用水资源,已制造出水力发电、潮汐能发电等使用液态水的大型设备.近年来,水分子与功能材料间的水伏效应掀起了对湿气发电的研究热潮.湿气发电机能够利用环境中的湿气能量产生电能,其过程主要包括电荷有效分离和载流子不对称运动.湿气发电机具有体积小、易制备、易集成等优点,能够从人体日常生理活动(如呼吸、出汗等)中收集能量并转化为电能,在便携式柔性电源和自供能传感器等领域具有巨大的应用潜力.本文总结了湿气发电机的基本原理、材料和结构设计方法及典型应用,并对湿气发电机的发展趋势进行了展望.     

可溶液加工还原氧化石墨烯:制备、功能化、自组装及在智能信息器件中的应用

石墨烯作为一种苯结构无限延伸的纳米与介观分子,表现出多层次迥异的物理与化学特性.本文从机械剥离法制备的石墨烯的奇特物理性质追溯氧化石墨烯(GO)相关化学反应的开展,再到其共价/非共价功能化及应用,用分级化学的视角梳理了该领域的化学进展.重点论述了化学方法制备的氧化石墨烯及还原氧化石墨烯(rGO)在溶液分散态下的功能化方法和自组装结构.针对环境友好的可溶液加工GO/rGO工艺面临的问题,总结了纳米片分散性、片间相互作用及其薄膜工艺的相关进展,为研究其墨水配方、成膜工艺和薄膜微结构的控制提供了指导.最后在总结rGO薄膜材料相关研究进展的基础上,介绍了其在智能信息器件中的应用,并对存在的挑战性问题和未来研究方向提出自己的观点.     

基于PECVD技术的石墨烯可控制备与应用:现状与展望

石墨烯因其优异的物理/化学特性,在众多领域有着广泛的应用前景.为了推动石墨烯材料的实际应用,需要寻找稳定可靠、可扩展和低成本的石墨烯材料制备方法.等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)技术是一种借助外加能量辅助反应前驱体裂解产生等离子体,进而实现石墨烯制备的方法. PECVD技术在沿袭了传统化学气相沉积法工艺产物设计性强、反应途径灵活、可批量化、高品质制备石墨烯等优点的基础上,可以实现石墨烯在更低的生长温度、更多样化的生长衬底上以更快的生长速度制备合成,从而能够有效降低能耗,提高制备效率,拓展石墨烯的应用场景.本文综述了近年来利用不同等离子体源(射频、直流和微波)PECVD技术制备石墨烯的研究进展,讨论了其生长机理,以及PECVD制备石墨烯在储能、器件散热和光热转化等相关领域的应用,进一步对PECVD技术在石墨烯制备和应用中面临的挑战和未来的发展前景进行了总结.     

金属衬底上石墨烯生长机理研究进展

石墨烯作为一种新型的二维碳材料,在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有非常重要的应用前景.然而,大规模可控合成高质量的石墨烯仍然面临巨大的挑战,其中比较有效的方法之一是在金属衬底上生长石墨烯.本文总结了近年来在金属衬底上生长石墨烯的机理研究方面取得的重要进展,从初始阶段、成核阶段、长大过程3个方面进行了介绍,最后还介绍了氢气在石墨烯生长过程中所起的重要作用,以期对石墨烯生长机理的深入研究及大规模可控制备提供帮助.     

石墨烯霍尔元件

回顾了石墨烯霍尔元件的现状,并展望了其应用前景.石墨烯霍尔元件能够充分发挥石墨烯材料迁移率高和单原子薄层等优势,规避其没有带隙或者小带隙的缺陷,其主要的性能包括灵敏度、线性度、分辨率、温度稳定性等都超过了基于传统半导体材料的霍尔元件,而且制备工艺简单,容易得到高性能的石墨烯磁敏传感器.基于化学气相沉积(CVD)生长并转移到绝缘基底上的石墨烯材料,批量制备出高质量性能均匀的石墨烯霍尔元件.通过低温的器件加工工艺,将石墨烯霍尔元件集成到硅基互补性金属氧化物半导体(CMOS)电路中,实现了高性能混合霍尔集成电路,展示了石墨烯霍尔元件与硅基CMOS集成电路良好的工艺兼容性.     

基于化学气相沉积技术的粉体石墨烯的制备及能源领域应用

化学气相沉积技术(chemical vapor deposition, CVD)因其产物设计性强、反应途径灵活、层数均匀可控、衬底种类多样、批量化高品质制备等特点而广受关注.本文以CVD制备石墨烯为出发点,归纳利用模板法和非模板法合成具有特定形貌的高品质粉体石墨烯材料,其具有高电导率、大比表面积和良好的分散性.进一步地,基于CVD方法合成的粉体石墨烯,对其在能量存储领域的应用展开阐述. CVD技术所制备的粉体石墨烯在储能应用领域中展现出的巨大潜力,使其有望成为助力高能量长循环储能器件的理想材料.     

绝缘衬底上石墨烯的化学气相沉积制备与器件应用

石墨烯作为一种拥有优异性能的二维晶体材料,其制备方法与潜在应用在最近几年内得到了广泛研究.与现有半导体硅工艺相匹配的化学气相沉积方法因其能够以低成本大规模制备高质量石墨烯,逐渐成为工业化大规模制备石墨烯的首选技术.然而,金属上通过化学气相沉积生长的石墨烯需要转移到绝缘衬底上才可以用于器件制备、电学性能表征等后期工作,而目前的转移技术无法避免对石墨烯的质量造成影响.如果在绝缘衬底表面直接生长石墨烯将有效避免石墨烯的转移工艺,从而有望在目标绝缘衬底上直接获得大面积高质量石墨烯.本文系统性介绍了近几年来绝缘衬底上生长石墨烯的相关研究进展,总结并展望了绝缘衬底上石墨烯生长、应用的发展前景与需要攻克的难题.     

化学气相沉积法制备h-BN

六方氮化硼是一种与石墨烯结构类似的二维层状宽带隙绝缘材料,具有各种优异的物理性质.例如,它具有优异的力学性质和化学、热稳定性,在非线性光学领域、紫外激光器以及保护层材料方面具有潜在的应用.另外,由于其表面具有原子级平整,不存在悬挂键和陷阱电荷,使其成为石墨烯电学器件的一种优异的介电材料.它还可与其他二维材料组成平面/垂直结构的异质结,展现出各种新奇的性能和在电子器件方面的潜在应用.如何可控制备大面积、高质量的六方氮化硼是目前研究的核心科学问题.本文主要综述了通过化学气相沉积法制备六方氮化硼的一系列工作,其中包括最新的研究进展,对反应前驱体和基底的选择做了详细的介绍和讨论,并展望了该领域的发展前景.     

石墨烯打开带隙研究进展

石墨烯自从被发现以来,迅速引发了科学家的研究热潮.在石墨烯的诸多优异性质中,超高的电子迁移率使它在未来电子学产业中具有极大的应用前景.但是石墨烯是零带隙材料,极大地限制了它在电子学器件上的应用.在过去几年中,科学家不断从理论和实验上探索石墨烯打开带隙的方法,本文以是否直接破坏石墨烯的晶格或化学结构为依据,从两大类综述了石墨烯打开带隙的理论、计算和实验工作.     

石墨烯基分离膜可行吗?

正提高膜材料的分子渗透速率对于膜分离技术在气体分离和水净化等领域的高效应用至关重要.通常认为,膜的渗透率与其厚度成反比例关系.因此,石墨烯及其衍生物由于原子尺度的厚度成为了理想的分离膜材料.从石墨烯被发现开始,石墨烯基分离膜是否可行的问题就成为了人们关注和研究的热点.目前,两种结构和机理完全不同的石墨烯基分离膜概念被提出:一是具有纳米级孔隙的多孔石墨烯,二是具     

有机平面pn异质结发光二极管材料与器件

有机发光二极管(OLED)在新型显示和固态照明等领域有着广泛的应用潜力,在可穿戴设备、手机、电视等显示产品上已经实现了较大规模的商业化应用,未来预计在柔性显示领域将具有更为突出的应用前景.为进一步降低OLED材料与器件的制备成本,近些年来,大量的研究聚焦于开发不含有稀有金属、兼具低成本和高性能优势的OLED材料与器件.本文综述了基于纯有机半导体材料、利用层间电荷转移来构筑OLED的研究进展,着重讨论了有机平面pn异质结发光二极管(pn-OLED)概念的提出,以及相应的有机半导体材料与器件等方面的进展,并对该类型器件目前发展中遇到的问题,以及将来在发光晶体管、电泵浦激光器等领域潜在的应用进行了讨论.     

膦基电致发光材料及器件的研究进展

芳香膦(氧)基团具有可打断共轭、电子效应适中、位阻大、便于多功能修饰和配位能力强等特点,是少数几个兼具多种功能的基团之一.通过综合运用这些功能,芳香膦(氧)基团在选择性调节分子光电特性等方面显示出了独特的优势.因此,芳香膦(氧)基团不仅适于构建综合性能优异的光电功能材料,进而实现高效的有机电致发光器件,而且能够为选择性研究单一性质变化对材料光电性能的影响提供平台.近年来,膦基光电功能材料逐渐发展成为有机电致发光(organic light-emitting diode, OLED)领域的热点之一,其所展现出的优异性能和清晰的构效关系在丰富OLED材料库、明确材料设计和优化途径,乃至推动OLED技术创新等方面具有重要的理论意义和实际应用价值.我们在膦基电致发光材料及其器件方面开展了比较系统的研究.从材料的设计策略出发,分别开发了膦基主体材料、发光材料和电子传输材料,对这类材料的光物理性质、激发态特性、电学性能以及电致发光器件性能等进行深入研究.本文对这些工作进行了较为系统的总结,以期为今后膦基光电功能材料的开发提供借鉴和参考.     

纸基和类纸基柔性薄膜器件研究进展

近年来,柔性薄膜器件得到了蓬勃的发展,尤其是纸基或类纸基的器件由于具有低成本、柔性、多孔性、自发的液体驱动性等独特的优势,在生物、化学、物理、材料等领域都已得到了广泛的应用.得益于纸基和类纸基(柔性基质材料和光子晶体纸)等膜材料的快速发展,许多多功能、高集成的膜基器件得以问世,使得传统纸张与其他薄膜材料之间的严格界限也逐渐变得模糊.传统纸张可以被认为是一种柔性的薄膜材料,而具有适当柔性或多孔结构的薄膜材料也可以被定义为"纸".纸基和类纸基材料可以驱动液体和调控电子,制作出来的柔性薄膜器件可以用于生化分析器件和复杂的微电子器件.本文较为全面地对传统纸张以及其他柔性薄膜材料所制作的柔性薄膜器件的历史发展和最新进展进行了总结,包括纸基和类纸基柔性膜的制备方法、对微流体和电子的操控和基于这些操控所衍生出来的多元化应用.