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.     

双光束激光干涉制备布基石墨烯仿生表面

提出一种利用双光束激光干涉系统制备多级石墨烯仿生表面的方法.利用Nd:YAG激光的双光束干涉系统在不同织物基底上对石墨烯氧化物薄膜进行干涉烧蚀,激光脱氧还原的同时产生石墨烯微纳结构.基底织物表面粗糙结构增大了石墨烯仿生薄膜表面粗糙度.布基的粗糙基底、激光烧蚀石墨烯微纳结构的双重作用形成多级结构的石墨烯仿生表面.这种石墨烯仿生表面不仅具有超疏水润湿性,还由于石墨烯微纳结构周期性而展现一定彩虹结构色.     

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     

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.     

基于石墨烯的新型动电现象

<正>南京航空航天大学纳米科学研究所郭万林教授领导的研究团队突破性地发现了一种常压下的全新动电现象——拽势(drawing potential),该研究以"Generating electricity by moving a droplet of ionic liquid along grapheme"为题发表在Nature Nanotechnology 2014年第5期.同时,该研究团队于2014年5月6日在Nature Communications发表的"Waving potential in graphene"一文中提出了利用石墨烯和     

快速、无损的大面积石墨烯晶圆转移方法

<正>尽管石墨烯薄膜材料表现出优异的电学、光学等物理化学性质,但相较于石墨烯粉体材料,其商业化应用还远未成熟.基于化学气相沉积法,在金属衬底上生长石墨烯薄膜被认为是批量化制备大尺寸石墨烯薄膜的主流路线.其中,在平整的Cu(111)晶圆衬底上外延生长超平整石墨烯单晶晶圆薄膜,     

温度响应性聚硅氧烷及其智能响应薄膜的制备

聚硅氧烷具有良好的化学稳定性、热稳定性、低毒性和生物相容性,在构筑刺激响应性聚合物方面有着广阔的应用前景.本文报道了寡聚三乙二醇化学修饰聚硅氧烷制备温度响应聚合物,并探索其在智能响应聚合物薄膜方面的潜在应用.利用Karstedt催化剂催化的氢化硅烷加成反应制备了侧链接枝寡聚三乙二醇的聚硅氧烷前聚体(PMHS-OEG3),运用核磁共振谱、红外光谱和紫外-可见光谱详细表征了其化学结构,并系统研究了聚合物分子量与温度响应性之间的关系.浊度测试表明,当PMHS-OEG_3的聚合度由37变为79时,聚合物的浊点由29.4℃降为27.5℃.进一步将3种不同聚合度的PMHS-OEG3与1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷分别交联固化成薄膜,得到具有温度响应性的薄膜.研究发现,随着PMHS-OEG_3聚合度的降低,相对应的聚硅氧烷薄膜的转变温度也随之降低.     

铜表面化学气相沉积石墨烯的研究进展:生长行为与控制制备

以铜作为基体的化学气相沉积法(CVD)是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法,具有产物质量高、层数均一等优点,已成为制备大面积、单层石墨烯的主要方法.本文围绕铜表面CVD控制生长石墨烯,结合对石墨烯的结构和生长行为的初步认识,介绍了质量提高、层数控制以及无转移生长等控制制备方面的最新研究进展,并展望了该方法制备石墨烯的可能发展方向,包括大尺寸石墨烯单晶以及不同堆垛方式的双层石墨烯的控制生长等.     

高温超导薄膜表面电阻频率特性测试新方法

提出了一种利用兰宝石的多个谐振模式对高温超导薄膜在多个频率点下的微波表面电阻进行测试的新方法. 该方法测试灵敏度高, 动态范围大并能在同一个温度循环内对单片高温超导薄膜微波表面电阻的频率特性进行表征, 极大地减少了测试工作量, 为高温超导薄膜的研究及工业化生产提供了有力保障.     

多酸-查耳酮杂化分子的制备及其光交联性能

光敏型多酸杂化分子及其光响应特性是目前多酸功能材料的研究重点.本文采用共价修饰的方法将光敏型查耳酮基团嫁接至Anderson型多酸骨架上,制备了一类新型的光敏杂化分子.利用核磁共振、傅里叶转换红外、高分辨质谱、单晶X射线衍射等技术确认了多酸-查耳酮分子的结构;并利用紫外光谱、核磁共振和凝胶渗透色谱技术详细研究了多酸-查耳酮分子的光交联特性.该工作为新型光敏多酸杂化分子的制备及功能应用提供了良好借鉴.     

软体机器人手臂如象鼻一样灵活有力

<正>象鼻是自然界中即柔顺灵活又很有力气的软体器官。受此启发,我国一个研究团队突破了刚性机械手臂的局限性,利用软体机器人手臂解决了不确定性场景中机器人的操纵问题。该研究团队于2013年提出了一种蜂巢气动网络结构,并基于这种结构设计制作了同象鼻一样兼具灵活度和大负载能力的软体手臂。     

用于肿瘤血管栓塞治疗的智能型DNA纳米机器人

恶性肿瘤(癌症)是危害人类健康的一大杀手.肿瘤的快速增殖高度依赖于肿瘤血管的形成及血液供应,因此堵塞肿瘤血管饿死肿瘤细胞成为继放化疗、手术及免疫治疗之后的又一有效治疗策略.凝血酶(thrombin)可以高效地激活血小板并将纤维蛋白原转化为纤维蛋白,进而诱导血栓形成.而游离的凝血酶在血液中的半衰期很短,并且会引起非特异性的血栓形成,造成健康组织的损伤,大大地限制了该分子在肿瘤栓塞治疗中的应用.寻求可以将凝血酶精准递送到肿瘤组织局部的新方法,实现特异性肿瘤血管栓塞成为亟待解决的难题. DNA纳米折纸技术的快速发展使这一问题得以解决.本团队近期构建了智能响应性纳米机器人,将凝血酶精准高效地递送到肿瘤局部,诱导血栓形成,实现高效抑制肿瘤生长和转移的目的.本文将对该领域近年来的国内外研究进展和本实验室的研究成果进行简单概述,并对该技术领域的发展方向和前景提出一定的展望.     

Grätzel电池用TiO2致密膜的制备和表征

选择钛酸四丁酯-石油醚溶液体系, 使用浸涂、烧结方法制备了致密TiO₂薄膜. 利用X射线光电子能谱(XPS)测试了薄膜的组成, 并用原子力显微镜(AFM)研究了制备工艺对表面形貌的影响. TiO₂致密膜的透射光谱表明, 该薄膜在可见光区有很好的透过率. 利用该种致密TiO₂膜, 制备了固态Grätzel电池, 其光电特性表明, 所制得的致密膜起到了很好的阻隔导电基底和空穴传输层的作用.     

超临界流体协助制备石墨烯及其功能化研究

石墨烯,即单层石墨,具有独特的二维结构和优异的机械、热学以及电学性质,自其被发现以来已引起了众多领域研究者的关注.本文介绍了石墨烯的制备及其功能化的方法,尤其对利用超临界流体辅助的液相剥离法制备石墨烯进行了详细阐述,突出介绍了芘基聚合物、芘基小分子衍生物在超临界二氧化碳辅助条件下剥离制备石墨烯及其功能化研究,并对所制备功能化石墨烯在聚合物基质增强和甲醇燃料电池中的应用研究进行了评述.     

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.     

初始晶硅多层薄膜光电响应及载流子输运特性

采用等离子体化学气相沉积技术, 通过交替改变H₂流量, 制备了多层结构的氢化初始晶硅薄膜, 利用拉曼(Raman)散射、傅里叶变换红外(FTIR)透射光谱和光电流谱等技术研究了薄膜的微观结构和光电响应特性. 微观结构分析揭示, 薄膜呈现为由纳米晶硅和非晶硅两相组成的初始晶硅结构, 薄膜光学带隙随晶化度提高逐渐降低. 光电流谱的结果显示, 纳米硅晶粒对薄膜内部光生载流子的空间分离可有效降低其非辐射复合几率, 导致薄膜光电响应峰值随晶化度的提高向短波方向移动, 然而纳米硅晶粒界面缺陷对载流子的空间限制使薄膜长波谱段的光电响应显著降低. 外加偏压下, 观察到350~1000 nm范围的光电响应, 表明外加偏压可促进光生载流子的有效收集. 分析表明, 纳米硅晶粒内部电子-空穴对的空间分离及界面载流子激发的共同作用, 导致薄膜光电响应及外量子效率大幅增加和峰位的红移. 实验结果为初始晶硅高效太阳电池的载流子输运控制提供了基础数据.     

石墨烯在铜表面生长的多尺度理论研究

石墨烯作为一种重要的二维材料有广泛的应用前景,它可以通过在铜表面生长来大规模制备.为了研究生长机理,首先要通过第一性原理计算给出各碳氢物种在铜表面的稳定性和基元过程的动力学信息;然后结合动力学蒙特卡洛模拟,可以进一步得到不同条件下石墨烯生长的主要动力学路径.本文将简要介绍该多尺度模拟研究方法及运用该方法揭示的铜表面石墨烯生长机理.     

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.     

硝基芳烃类隐藏炸药检测用荧光薄膜的制备及性能

通过自组装方法将荧光小分子芘经由包含三乙基四胺结构的连接臂以单分子层形式化学结合于玻璃表面, 制备了一种对硝基芳烃类炸药微痕量蒸气特异响应的荧光薄膜材料. 实验表明, 该荧光薄膜对硝基芳烃响应的灵敏度与连接臂的长度、硝基芳烃的饱和蒸气压大小以及分子体积有关. 硝基芳烃蒸气压越高、体积越小, 薄膜响应速度越快. 相对于较短的柔性连接臂, 以柔性长链为连接臂的薄膜对硝基芳烃的响应速度较慢, 但对硝基芳烃的体积选择性高. 所报道的荧光薄膜对常见炸药的标示物三硝基甲苯(TNT)和2,4-二硝基甲苯(DNT)在空气中的最低检出限分别达到7.14×10^-12和5.49×10^-11 g·mL^-1. 此外, 该膜对硝基芳烃的响应还具有良好的可逆性, 苯、甲苯、乙醇和香水等对测定干扰不明显.     

Gr(a)tzel电池用TiO2致密膜的制备和表征

选择钛酸四丁酯-石油醚溶液体系,使用浸涂、烧结方法制备了致密TiO2薄膜.利用X射线光电子能谱(XPS)测试了薄膜的组成,并用原子力显微镜(AFM)研究了制备工艺对表面形貌的影响.TiO2致密膜的透射光谱表明,该薄膜在可见光区有很好的透过率.利用该种致密TiO2膜,制备了固态Gratzel电池,其光电特性表明,所制得的致密膜起到了很好的阻隔导电基底和空穴传输层的作用.