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石墨烯可控制備和性能研究獲進展

石墨烯具有原子級的厚度、優異的電學性能、出色的化學穩定性和熱力學穩定性,這些性能使得石墨烯在未來納米電子學中具有重要的應用前景,並已成為目前凝聚態物理和材料科學研究的熱點。要實現石墨烯的最終應用和深入研究,必須首先大規模制備石墨烯,同時實現對其形貌和組成的控制。因此,石墨烯的可控制備具有非常重要的意義。

在國家自然科學基金委、科技部、中科院的大力支持下,化學所有機固體院重點實驗室的研究人員,在石墨烯的可控制備研究方面取得系列進展,有關研究成果申請了中國發明專利,並發表在相關的學術期刊上。

在前期工作中,研究人員探索了一種制備圖案化石墨烯的方法,通過圖案化的金屬層作為催化劑實現了石墨烯的圖案化生長,並成功地將其應用於有機場效應晶體管電極 (Advanced Materials 2008, 20, 3289-3293)。

近期,研究人員實現了對石墨烯組成的控制,成功地制備出了氮摻雜石墨烯 (Nano Letters 2009, 9, 1752-1758) 。摻雜是調控石墨烯電學性能的一種有效手段,摻雜石墨烯因其巨大的應用前景已經成為研究人員關注的熱點。然而,目前的研究還僅僅停留在理論上,實驗上還很少有摻雜石墨烯的報道。有機固體院重點實驗室研究人員在化學氣相沉積法制備石墨烯的過程中通入氨氣作為氮源,得到了氮摻雜石墨烯樣品(圖1),並對其電學性質進行了研究,發現氮摻雜石墨烯顯示出 n 型導電特徵,和理論研究的結果相吻合。

他們又利用模板法實現了對石墨烯形狀的控制,大規模地制備了石墨烯帶,並制備了石墨烯帶的納米機電原型器件(Journal of the American Chemical Society ,2009, 131, 11147-11154)。石墨烯常用的制備方法主要有機械剝離法、碳化硅熱分解法、溶液法、化學法等 ,然而這些方法制備出的石墨烯的形狀基本上都是無規的。大規模可控地合成具有規則形貌的石墨烯仍然是一個難題。他們採用硫化鋅納米帶作為模板,通過化學氣相沉積法成功制備了形狀可控的石墨烯帶(圖2)。

這一系列研究進展對於石墨烯的研究和應用具有重要意義。
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