石墨烯扭转结构的前沿研究进展

石墨烯间的扭转打破了传统的Bernal堆叠形式,在形成摩尔超晶格的同时引起了电子能带结构的重构.因此,扭转角作为石墨烯结构参数之一逐渐引起人们的注意.此前关于扭转石墨烯的研究多停留于理论阶段,而随着制备手段和理论研究的发展,研究者逐渐开始探索石墨烯扭转结构对其性能的影响规律.近年来,在魔角石墨烯中观察到的超导态和铁磁性引发了人们对于石墨烯扭转结构的大量关注和讨论.这些在常规碳材料中闻所未闻且未曾被预料到的奇特性质表明,以魔角为代表的扭转石墨烯中仍存在着诸多亟待解决的物理学问题.本文针对扭转石墨烯,特别是魔角石墨烯,围绕其制备方法、电子结构、表征手段和功能特性4个方面进行了较为全面的总结,提出了该领域现存的问题,并展望了扭转石墨烯相关研究的发展趋势.     

石墨烯的化学稳定性因基底而显著不同

正石墨烯一个广为人知的用途是能够保护金属免受氧化.我国学者最新的研究发现,基底上石墨烯自身的抗氧化性能会因基底而显著变化,在一些金属表面甚至会自发氧化.石墨烯是由碳原子组成的具有六方蜂窝晶格的二维单原子层晶体,具有优异的电子性质和大的比表面积.其电子迁移率可达到光速的1/300,兼具惊人的力学性能,比强度是钢的100倍.这些特性使得石墨烯成为制造新一代电子等功能器件的候选材料.但同时,石墨烯的每个原子均     

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.     

湿度驱动的石墨烯智能仿生机器人问世

<正>近期,吉林大学电子科学与工程学院孙洪波教授和张永来副教授的研究团队创新性地提出一种利用光学手段制备石墨烯智能薄膜,进而开发石墨烯智能响应机器人的新方法.他们利用紫外光可控还原石墨烯氧化物薄膜,得到了氧化程度不同的石墨烯双层结构,该石墨烯薄膜对环境湿度具有敏感的响应特性.利用这一新技术,团队研究成员提出利用紫外光单侧大面积图案化制备石墨烯智能薄膜的新方法,实现了湿度驱动的石墨烯智能仿生机器人.该     

Ru(0001)表面石墨烯的外延生长及其担载纳米金属催化剂的研究

采用室温下吸附乙烯结合高温退火的方法在Ru(0001)表面上制备了单层石墨烯结构. 利用扫描隧道显微镜(STM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)研究了石墨烯的生长过程以及石墨烯的表面形貌和结构. 以单层石墨烯为模板, 制备了尺寸和空间分布比较均一的Pt纳米团簇.     

用于锂离子电池的石墨烯导电剂:缘起、现状及展望

石墨烯具有很高的电导率及柔性、二维、超薄的结构特性,是兼具"至薄至柔至密"特征、极具潜力的锂离子电池导电剂.使用在锂离子电池中,通过与活性物质"面-点"接触,"至薄至柔"的石墨烯具有非常低的导电阈值——使用量较少时就可以有效提高电极的电子电导率,大幅降低作为非活性物质的导电剂使用量,实现电池活性物质的"至密构建",有效提高电池的体积能量密度.然而,石墨烯的二维平面结构又会对电极内部锂离子的传输产生"位阻效应",影响高倍率条件下锂离子电池性能的发挥.因此,在使用石墨烯导电剂时,需要结合最终锂离子电池设计需求(能量或功率性能优先),综合考虑其对电子/离子传输过程的影响,提出石墨烯导电剂的设计方案.本文从石墨烯及其用作导电剂的特点、影响石墨烯导电剂使用的关键因素等方面出发,详细评述了石墨烯导电剂的应用缘起和研究现状,并对石墨烯的未来应用趋势和产业化前景进行了展望.     

封面说明

<正>2004年,石墨烯的成功剥离为二维晶体的研究打开了一扇大门;2014年,单层黑磷(SLBP)的发现又为该领域注入了新的活力.由于SLBP在电子迁移率和开关比方面均显示出优异的特性,所以被认为是继石墨烯和单层二硫化钼之后,在薄膜电子学、光学器件以及对各向异性敏感的新型电子元件等方面最具应用前景的一种后石墨烯材料.目前,国际上很多科研团队和优秀的科学家们已从不同的角度对SLBP展开了深入的研究.因SLBP显著的脆性,其力学性质以及力电耦合特性对实际应用有着重要影响,故该晶体在实验室制备出来     

石墨烯在柔性锂离子电池中的应用及前景

随着具有变形功能的移动电子设备的出现和发展,为其供电的可变形、柔性锂离子电池近年来受到广泛关注.柔性锂离子电池一般指具有可逆弹性变形能力,同时可正常工作的锂离子电池.按照变形难易程度,大部分研究中的柔性锂离子电池,均指可弯折柔性锂离子电池.本文总结了石墨烯在可弯折柔性锂离子电池领域的进展情况.石墨烯具有很高的电子电导率,可将石墨烯附着于高分子、纸、纺织布等柔性基底上,利用基底提供柔性支撑、力学性能,石墨烯提供导电网络,形成石墨烯/柔性基体复合结构.利用石墨烯的二维柔性结构及表面官能团,与其他材料复合,能够制备出一体化石墨烯复合柔性电池电极.石墨烯柔性复合材料作为电极时,能够提高电池的整体能量密度,因此具有更广阔的发展前景.本文同时介绍了柔性锂离子电池的力学特性和电化学性能表征方法,并对柔性锂离子电池的未来发展方向进行了预测.柔性锂离子电池发展趋势是提高其变形能力,并赋予柔性锂离子电池一定的可拉伸性能,以使其适应各种复杂应用;新型柔性锂离子电池也将具有自修复和快速充电能力;未来同时将研究喷涂或打印等新型柔性电极的制备和器件优化设计.虽然仍然存在尚待解决的问题,石墨烯柔性锂离子电池经过适当的电化学性能和力学性能改进,将在移动电子领域得到广泛应用.     

石墨烯片层孔道设计及其结构调控

石墨烯——最薄的二维碳材料,因其具有卓越的机械、光学、电子和热性能,使其在复合材料、电子器件、能源储存和吸附分离等许多领域都具有广泛的应用.石墨烯筛(graphene nanomesh)作为一种在石墨烯片层引入纳米孔的多孔石墨烯,除了具有石墨烯本身固有的特性之外,其可调控的孔结构设计为石墨烯筛功能性应用提供了新的选择.本文综述了常见的石墨烯筛合成方法并展望了其未来发展前景.     

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.     

三维垂直定向石墨烯的制备及在超级电容器中的应用

电极的结构设计是影响其反应动力学与离子传质能力,进而影响电化学储能系统性能的重要因素之一.为了追求较好的电极动力学以及传质速率,三维有序石墨烯基电极已吸引越来越多的研究兴趣.与其他类型的三维石墨烯结构不同,通过定向冷冻法、等离子体增强化学气相沉积法、KOH辅助水热法等制备的三维垂直定向石墨烯(3DVAG)具有垂直开放通道以及低孔隙弯曲度,可以有效增强离子的输运和电子的传导,提高活性物质的负载,从而实现电极材料的高能量密度及倍率性能.本文对三维垂直定向石墨烯的制备方法及其在超级电容器中的应用进行了综述,并对其未来的发展前景进行了展望.     

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.     

基于石墨烯开发的高分子复合材料在电磁屏蔽领域中的应用

电子与通讯设备广泛地应用于工业、商业、科学研究以及军事等领域,电磁辐射对人体健康造成不良的影响,使得电磁屏蔽一直是现代社会需要重视的一大问题,因此也催生了对不同类型的电磁屏蔽材料的制备与性能的研究.与传统的金属电磁屏蔽材料相比,以碳材料作为填料的高分子复合材料在电磁屏蔽领域有着自己独特的优势,包括重量轻、耐腐蚀、易加工、具有柔性以及可吸收频率范围广.石墨烯作为一种新型的二维纳米碳材料,具有极其优异的电学、力学和热力学性能,这些优异的性能使得石墨烯在与高分子材料形成复合材料后具有极佳的作为电磁屏蔽材料的潜质.此外,在航空航天、武器装备、军事防护、汽车工业以及微电子业中,对所使用的电磁屏蔽材料的热稳定性、力学性能也都有更高的要求.石墨烯-高分子复合材料比其他的含碳复合材料具有更大的优势来满足这些挑战.本文对应用于电磁屏蔽领域的石墨烯-高分子复合材料中石墨烯的制备方式进行分类,总结了目前此类复合材料的电磁屏蔽效能.     

石墨烯场效应晶体管的输运特性

石墨烯场效应晶体管的研究对于摩尔定律的延续具有非常重要的意义.近年来,大面积、高质量石墨烯薄膜制备技术的快速发展,进一步推动了基于石墨烯材料的新型电子器件的研究,引起了集成电路领域研究人员的广泛关注.本文所制备的石墨烯场效应晶体管以ITO为栅电极,Ta_2O_5为栅绝缘层,石墨烯为有源层,Ti/Au双层金属为源漏电极.电学特性测试与分析结果表明,石墨烯与源漏电极形成了良好的欧姆接触.室温下,石墨烯场效应晶体管展示了其特有的双极性特征,空穴迁移率约为2272 cm2/(V s),电流开关比约为6.2.转移特性曲线中出现了明显的滞回现象,且随着栅压扫描范围的增大而越发显著.同时研究了温度对石墨烯场效应晶体管性能的影响,随着温度的升高,狄拉克点电压逐渐向零点方向偏移,滞回现象愈加明显.当温度为75℃时,空穴迁移率与电流开关达到最佳.     

石墨烯单晶的可控生长

化学气相沉积(CVD)法作为合成石墨烯的主流方法之一,已在大面积、高质量石墨烯的可控制备领域获得了广泛应用.但由于生长基底形貌和生长过程动力学因素的影响,采用该方法获得的石墨烯一般是由小晶畴石墨烯拼接而成的多晶膜,晶畴之间的晶界会导致其物理化学性质与本征石墨烯有很大差别.完美的单晶内没有晶界,因此石墨烯单晶的性质与其理论预期接近,近年来石墨烯单晶的可控生长已成为一个重要的研究方向.石墨烯单晶的尺寸和形状是影响其性质的2个主要因素,此外,研究石墨烯单晶的大小及形状成因还有助于了解石墨烯单晶的生长机理.本文将介绍CVD法可控制备石墨烯单晶的一些代表性成果,探讨石墨烯单晶的大小和形状成因,简述石墨烯单晶在电子器件上的应用,展望石墨烯单晶可控生长的机遇与挑战.     

石墨烯海绵的光声效应

探索了三维石墨烯海绵的光声效应.由于其具有均匀的孔结构以及良好的吸光特性,石墨烯海绵能产生均匀的光声信号.通过研究石墨烯海绵在不同气体中的光声效应,获得了所产生的光声信号与气体性质的关系.研究发现,石墨烯海绵在不同频率(20~20000 Hz)范围内,产生的光声信号均具有良好的谐振性.为了进一步解释石墨烯海绵的光声机理,建立了相应的理论模型.这些结果为利用石墨烯材料在光声器件等方面的研究提供了有益的借鉴.     

石墨烯基气体传感器

石墨烯作为一种由单层碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状二维晶体材料,拥有许多优异的力学和电学性能,在传感领域具有很大的应用潜力.在室温下超高的电子迁移率以及超大的比表面积这两个突出的特点,使石墨烯有希望成为一种具有超高灵敏度的气体传感器材料.作为一种典型的二维材料,石墨烯结构中的每个原子都可以被认为是表面原子,因此理想情况下每个原子都可以和气体发生相互作用,这使得基于石墨烯材料的气体传感器具有超高的传感响应以及超低检测限(甚至可以检测到1个分子).为了进一步提升传感性能,目前的研究主要从两个方面对石墨烯基气体传感器进行优化:(1)设计不同工作原理的气体传感器,满足不同的应用领域;(2)设计不同敏感材料的气体传感器,对石墨烯表面进行改性或与其他材料(金属、金属氧化物和有机聚合物)进行复合,使结构具有一定的特异性,提升气体传感器的气体选择性.本文将从上述两个方面综述气体传感器的主要研究成果和最新研究进展,并对未来一段时间内气体传感器的可能研究方向和重点研究内容等进行展望.     

电化学方法研究石墨烯和磷酸三苯酯(TPP)与模拟生物膜间的相互作用

在自然环境中,污染物大多以混合物形式存在,进入生物体后通常会产生联合毒理效应.石墨烯纳米材料具有优良的吸附性能,容易与其他污染物发生相互作用,进而影响污染物的环境行为.磷酸三苯酯(triphenyl phosphate,TPP)分子中含有多个苯环,容易与石墨烯发生相互作用.本文采用电化学方法,研究了石墨烯和TPP与模拟生物膜间的相互作用.结果表明,石墨烯和TPP均可导致磷脂双层膜修饰的金电极的阻抗降低,说明两者均能影响细胞膜的通透性,破坏模拟生物膜的完整性,推测石墨烯和TPP同时存在时可能表现出一定的协同作用,增大对模拟生物膜的破坏程度.透过细胞膜进入细胞的污染物有可能与细胞内的DNA或蛋白质等大分子发生作用,该研究结果可为评价该类污染物的生态风险性提供理论依据.     

植物文身传感器

正随着物联网技术的发展,各种类型传感器的重要性变得非常突出。近日,美国艾奥瓦州立大学电子与计算机工程系副教授董良领导的团队开发出一种基于石墨烯的传感器,它可以贴在植物上为研究人员和农民提供有关作物用水的数据,比如测量玉米植物将水从根部运输到叶子下部、然后再到叶子上部的时间。这项成果以封面照片的形式发表在《先进材料技术》期刊上。石墨烯是一种神奇的材料,是由单层碳原子构成的六边形(最稳定的结构形式)蜂巢晶格的平面二维     

科学家在石墨烯中发现奇异的量子流体

<正>在适当的条件下,电子在石墨烯中可以像流体一样流动。流水无形,能绕过障碍物,并且在流动中施加力。然而,像水这样的传统液体只是很多流体的一种。几十年前,科学家就假定存在一种电子流动形成的量子流体,但直到最近科学家才观察到:这种量子流体来源于导电材料中的电子彼此之间的强相互作用,使得电子可以在比人类头发丝细100倍的尺度上像水一样流动。贝尔迪尤金(Berdyugin)等人和加拉格尔(Gallagher)等人分别在石墨烯(由厚度只有一个原