二维材料:潜力无限的材料家族

<正>二维材料具有诸多令人瞩目的物理、化学性质,使其成为目前国际材料科学研究的前沿焦点.自2004年被首次制得以来,石墨烯在电学、光学、热学和力学等方面均已展现出十分优异的性能.由于石墨烯卓越的性能源于量子限域效应,研究者随即开始探索其他性能出众的新型二维原子晶体材料,包括六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、黑磷和过渡金属碳化物等.他们性质多样且互补,     

石墨烯材料在水处理中的应用:传质机制与吸附特性

石墨烯由于独特的单原子层二维结构和高比表面积等优异性能而被用作选择性分离膜和吸附剂,在水处理领域具有潜在的应用前景.本文综述了石墨烯纳米多孔膜和层状堆叠的氧化石墨烯渗透膜对气体、水及离子的传质行为.纳米多孔膜因其制备技术和不成熟的打孔技术等原因而具有一定局限性;而层状渗透膜由于制备方法简单、成本低、高通透性和高选择性等优点,在水净化领域具有广阔的应用空间.进一步综述了石墨烯吸附材料对水中重金属离子、染料和有机污染物的吸附行为,分析了石墨烯材料表面官能团与污染物的相互作用机理.最后展望了石墨烯材料在膜分离、海水淡化和污染物去除等环境应用中的机遇和挑战.     

面向微电子应用的二维过渡金属硫族化合物制备进展

二维原子晶体材料所独有的结构特性带来了诸多优异的性质.与石墨烯相比,二维过渡金属硫族化合物(TMDs)拥有不同大小且可调控的带隙,在微电子和光电器件领域有着广阔的应用前景.本文对二维TMDs材料"自上而下"和"自下而上"的制备方法进行了总结,对比了机械剥离、液相剥离和化学气相沉积等常见制备技术,并归纳了各自的优缺点.同时基于未来晶圆级二维TMDs器件,重点介绍了化学气相沉积法及其面向应用需要解决的问题.最后总结了二维TMDs材料在微电子器件应用中的研究进展.     

高分子直接插层构建纳米层状异质结构及高效储能应用

<正>二维层状材料,如过渡金属硫化物(TMDs)、过渡金属碳化物或氮化物(MXenes)、六方氮化硼(h-BN)、石墨氮化碳(g-C3N4)、层状金属氧化物等,因具有优异的电学性质和易于加工等特点,在能量转化和存储方面有着广泛的应用前景.然而,体相二维层状材料一般多以层间范德华力作用形成堆叠结构,极大妨碍了材料活性位点的充分暴露和     

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.     

过渡金属硫属化合物层间异质结构的可控制备和能源应用

随着石墨烯及其优异性质被发现以来,二维层状材料成为了材料科学领域研究的热点.二维层状材料每个片层内的原子通过化学键连接,片层间以弱范德华力相互堆垛.这种几何结构使得二维层状材料在晶格不匹配和生长方法不兼容的情况下,彼此之间仍然能够相互混合和匹配,从而衍生出很多范德华层间异质结构.这种异质结构利用了不同堆垛材料迥异的物理和化学性质,在电子、光电子器件、可再生能源储存和转化等领域得到了广泛的应用.需要指出的是,大面积、大畴区、可控制备本征层间异质结构是实现其实际应用的首要条件.本文总结了基于过渡金属硫属化合物(MX_2)和石墨烯(graphene)层间异质结构的最新研究成果,重点描述了MX_2/graphene和MX_2/MX_2层间异质结构的化学气相沉积(CVD)可控制备、新奇物理性质探索以及这两类异质结构在能源领域(电/光催化析氢反应)中的应用,并讨论了所存在的问题和未来发展方向.     

锡烯的研究进展

石墨烯研究的巨大成功推动了二维晶体材料研究领域的蓬勃发展,和碳同族的Ⅳ族元素组成的具有类石墨烯结构的二维晶体材料受到了广泛的关注,其中由锡元素组成的锡烯晶体由于其优异的物理特性成为研究的热点之一.理论计算表明锡烯是一种大能隙的量子自旋霍尔效应绝缘体,还能够转化为二维的拓扑超导体.锡烯晶体在电子无耗散输运、自旋流产生、高性能热电、光电器件、拓扑量子计算等方面都具有重要的潜在应用价值.本文针对最近几年来锡烯的研究进展进行简要的综述.首先简单描述为什么锡烯晶体具有特殊的物理特性,然后介绍锡烯理论研究的进展以及最近利用分子束外延技术在锡烯晶体薄膜制备方法取得的突破,最后对今后可能的实验研究方向和内容进行了展望.     

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.     

石墨烯的化学研究进展

评述了近3年来在石墨烯(graphene)制备化学、石墨烯化学改性、石墨烯表面化学和催化等方面取得的重要进展. 阐述了通过化学方法实现非支撑(freestanding)或准非支撑(quasifree- standing)石墨烯结构的可控和规模制备; 通过表面反应对石墨烯进行掺杂和官能化, 制备了石墨烷、石墨烯氧化物等具有特殊结构和性质的石墨烯相关化合物; 这些石墨烯及石墨烯相关材料(graphene and related materials)在催化、储氢等领域展现出非常重要的应用前景.     

二维黑磷的制备及表面修饰技术研究进展

黑磷,一种与石墨烯结构相似的新型二维材料,从2014年出现伊始就受到了全世界的广泛关注.黑磷是一种直接带隙半导体,其带隙能随层数可调,具有独特的电学、光学特性和良好的生物相容性,在晶体管、光通讯、能源、生物医学等领域都具有极大的应用潜力;但其目前也存在制备方法不够完善、稳定性差等缺点.本文简单介绍了二维黑磷的结构、性质和应用研究,重点综述了二维黑磷的制备方法和表面修饰以提高稳定性的方法,并展望了二维黑磷的发展趋势和应用前景.     

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.     

石墨烯的生物安全性研究进展

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料.随着石墨烯在实际中的大规模生产和广泛应用,其生物安全性问题也备受关注.大量报道认为石墨烯是一种生物相容性良好的碳纳米材料,部分研究却发现石墨烯具有一定的生物毒性.石墨烯的生物毒性主要依赖于其理化性质(大小、形状、表面电荷、官能团等),与其使用剂量也密切相关.近年来,研究发现石墨烯纳米材料作用于不同生物体会表现出完全迥异的生物毒性.基于此,本文综述了近年来关于石墨烯在细胞毒性、动物毒性和抗菌性方面的研究进展,以期为石墨烯生物安全性评估和生物医学应用提供参考.     

二维材料异质结的可控制备及应用

二维材料异质结是由石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、黑磷等二维材料通过面内拼接或层间堆叠形成的,并由此可分为二维材料面内异质结和垂直异质结.二维材料面内异质结可以实现区域内载流子的特殊传输行为;而垂直异质结中的层间量子耦合效应能够导致新颖的物理特性,通过调节异质结构界面可调制器件的电学及光学性能.目前,随着电子器件、光电器件等对集成性、功能性的要求不断提高,二维材料异质结越来越多地受到研究者的关注,实现二维材料异质结结构(包括界面)的有效调控是构筑高性能、高集成器件的前提.本文主要对比各类二维材料异质结的制备方法,介绍主流的几类二维材料异质结基电子器件和光电器件的结构、工作原理和性能,展望有前景的新型制备方法,并指出二维材料异质结在实际应用中面临的挑战.     

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     

流体剪切辅助超临界CO_2技术制备石墨烯

石墨烯具有的各种优异性能使其在新材料领域具有十分广泛的应用前景,但如何批量低成本制备高质量的石墨烯是实现其大规模应用前亟待解决的问题.本文采用流体剪切辅助超临界CO2剥离法,以石墨粉为原料成功制备出高质量的石墨烯.运用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)及拉曼光谱等技术对所制得的石墨烯进行分析表征,发现得到的石墨烯具有完整的晶格结构及很高的导电率,其中1~10层石墨烯含量达到90%以上.本技术有望提供一种清洁、高效制备高质量石墨烯的方法.     

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.     

二维单层材料的结构搜索

石墨烯单层材料的出现引起了人们对于二维材料极大的研究兴趣.如何确定二维单层材料的稳定结构是一个基本的问题.近年来,基于势能面的全局结构搜索方法的发展为预测材料的稳定结构提供了一个十分有效的重要手段,在二维单层材料的结构搜索方面发现了许多新奇有趣的结构和性质,拓展人们对二维单层材料的认识.本文概述了近年来在二维单层材料全局结构搜索方面取得的一些研究进展,包括单质材料与二元化合物材料独特的结构与物性,以及它们潜在的应用前景.     

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.     

二维过渡金属二硫属化合物的应力调控

二维过渡金属二硫属化合物(TMDs)因其优异的性质,在光电器件、能量存储、催化等领域具有重要的应用价值.调节材料的晶格结构可以有效地调控其性质并扩展其应用领域,而应力调控是一种高效调节二维TMDs晶格结构与性质的重要方法.在过去的几年中,研究人员不断丰富应力调控二维TMDs的策略,拓展其在柔性光电器件、传感器、催化以及储能等领域的应用.本文主要综述了应力调控二维TMDs结构的各种策略、性质的调控效果以及在器件中的应用,展望了应力调控二维TMDs的发展趋势,并指出了未来研究中存在的挑战.     

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.