二维过渡金属硫族化合物纳米异质结气体传感器研究进展

二维过渡金属硫族化合物(2D TMDs)在气体传感方向的应用中具有显著的"先天"优势,表现出如灵敏度高、响应速度快、能耗低以及能在室温下工作等诸多优点.相对单一的2D TMDs而言,基于2D TMDs纳米异质结的气体传感器展现出更加优越的气体传感性能.本文将系统总结2D TMDs纳米异质结气体传感器的研究进展,尤其是2D TMDs与金属氧化物、金属硫化物、碳基纳米材料以及量子点之间形成的纳米异质结设计、构效关系以及传感机理等关键科学问题.传感材料和传感机制上的创新对提升传感性能并拓展传感功能具有重要的科学意义.通过对纳米异质结气敏机理的深入探究,有望实现纳米异质结结构的人为设计和可控制备,提高室温下对目标气体的高灵敏选择性识别和检测.在纳米异质结的结构设计上,以TMDs材料为导电主体,在其表面生长各种纳米结构,通过对纳米异质结表面酸碱性、功函数、气体分子极性以及纳米异质结与气体分子之间的氧化还原反应性质进行调控,来构筑基于TMDs的纳米异质结.此外,控制负载在二维TMDs上纳米颗粒尺寸小于两倍电子耗尽层厚度,充分发挥纳米颗粒量子限域效应,以纳米颗粒充当传感的"天线分子"或"探针分子",实现对目标气体分子的高灵敏选择性识别和检测.     

单层氮化硼涂层实现固体表面改性

正石墨烯等二维原子晶体材料技术可以把表面涂层降到单原子厚度,并具有抗腐蚀和抗氧化等涂层性质.但单原子涂层能否实现固体表面润湿性改性却面临困境:2012年莱斯大学等学者报道单层石墨烯丝毫不改变固体表面的亲疏水性的实验结果,提出石墨烯是"亲疏水性透明的"(Nat Mater,11,217,2012);但MIT的研究者否定这种"透明性",认为是"半透明的",即单层石墨烯仅能部分改     

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.     

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     

二维材料理论:材之魂,料之魄

<正>自2004年石墨烯问世以来,单个或数个原子厚度的二维材料迅速赢得了学术界的广泛关注.过去十几年里,许多"明星"二维材料陆续涌现,包括具有狄拉克色散关系的石墨烯、宽禁带的氮化硼(也称白石墨烯)、具有直接带隙和旋光选择性的二硫化钼、具有各向异性和高载流子迁移率的黑磷、具有丰富多态性的金属性硼烯,以及一系列二维磁性与二维拓扑材料等.以这些明星材料为基础,     

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.     

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     

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.     

石墨烯：单原子层二维碳晶体——2010年诺贝尔物理学奖简介

  石墨烯--石墨的极限形式,具有独特的单原子层二维晶体结构,2004年首次由英国曼彻斯特大学的两位科学家：安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）成功剥离出来。2010年,二人因在石墨烯方面的开创性实验而获得诺贝尔物理学奖。作者从碳材料的发展史出发,结合石墨烯的结构、制备方法及其性能,综述了石墨烯领域的研究工作,对其发展趋势及将面临的挑战进行了评述。     

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.     

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.     

二维材料气体分离膜及其应用研究进展

二维材料气体分离膜由于其独特的分子输运特性,在渗透率、选择性方面表现出优于传统薄膜的优势,具有巨大的发展潜力.石墨烯类、二维金属有机骨架、二维过渡金属碳化物/碳氮化物等二维材料中存在的亚纳米尺度空间为分子输运提供了特殊的通道,包括纳米孔和纳米通道,它们是高渗透性和高选择性分子筛选的根本原因.然而,二维材料薄膜在复杂工业环境中的不稳定性、难以进行大面积制备等使其实际应用受到了很大的局限,目前二维材料膜尚未大规模应用于工业生产中.本文选择性地对当前研究的热点二维材料气体分离膜研究现状进行总结,同时对其在CO₂捕获和分离、H₂分离和提纯、天然气提氦等领域的具体应用进行阐述,并且探讨了二维材料气体分离膜当前所面临的挑战与未来发展前景.     

石墨烯模板法制备超薄二氧化硅纳米片

石墨烯是一种具有二维纳米结构的材料,也是制备二维材料理想的模板.本文报道了一种以氧化石墨烯为模板制备二氧化硅纳米片的方法,利用原位自由基聚合将含硅聚合物聚(3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷)接枝到氧化石墨烯片上,经过氨水交联、冻干和700℃下热处理,获得二氧化硅纳米片.     

二维冰的结构及其生长机制研究进展

水和冰在自然界中广泛存在,冰的结构与成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学以及行星科学等众多领域具有至关重要的作用,这些过程往往与微观尺度上水分子与表面或者水分子之间的相互作用相关。受限于之前的研究方法和手段,尽管存在大量的实验和理论研究,冰成核和生长的微观机理却仍旧存在许多争议与疑问。因此,从原子尺度上对冰结构和成核生长过程进行准确的表征和研究具有极为重要的意义。研究者利用超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)和非接触式原子力显微镜(NC-AFM)联合系统,通过对qPlus针尖进行化学修饰,借助针尖与水分子之间的高阶静电力,成功实现在实空间中对Au(111)表面上的双层二维冰结构的高分辨成像,确认了其"互锁式"氢键构型,并进一步通过对二维冰边界结构的非侵扰式成像,首次观测到二维冰生长过程中边界上的一系列中间态和亚稳态。之后通过结合第一性原理计算和分子动力学模拟,提出了二维冰锯齿状和扶椅状边界的两种生长机制。这在原子尺度上揭示了二维冰成核生长的过程和机理,为研究原子尺度上冰的生长过程提供了一种新途径,并能拓展到广泛的二维材料体系研究中。     

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.     

石墨烯和氮化硼层内异质界面生长机理

石墨烯打开了二维材料研究的大门,是被研究最为广泛的二维材料.石墨烯纳米带可以获得一定大小的带隙.因此,石墨烯纳米带嵌入到氮化硼介电层形成石墨烯和氮化硼横向异质结(G/h-BN)界面有望得到纯二维集成电路.本文回顾了G/h-BN界面的生长研究方法的发展,并结合石墨烯成核的微观机理,对比探讨了G/h-BN界面成核生长机理,凝练提出了控制G/h-BN界面的关键参数,为G/h-BN界面器件设计提供了方法和机理参考,并为其他二维材料界面提供研究思路.     

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.     

低维材料中的缺陷效应与电子态调控

低维材料具有大的比表面积、独特的电子结构和优异性能,在新能源、信息等领域具有重要的应用前景.低维材料所具有的特殊电子态可以突破传统半导体材料的尺寸极限,是后摩尔时代重要的候选材料.如何有效地调控低维材料电子结构以满足特定功能的需要是实现这一应用的关键.本文从一维纳米管和二维层状材料中的"缺陷效应"出发,对我们课题组在低维材料电子结构调控方面的研究结果进行综述,揭示空位和吸附原子等点缺陷以及表面修饰和内部填充等对材料的电子结构、电子自旋极化和激发态特性的调控机制与规律,为低维材料在新型电子器件等领域的应用提供依据.