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时间:2017-09-21
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1、项目名称:石墨烯材料的宏量可控制备及其应用基础研究首席科学家:石高全清华大学起止年限:2012.1至2016.8依托部门:教育部一、关键科学问题及研究内容本项目拟开展的研究方向属于“国家重大科学研究计划—纳米研究”指南中“纳米材料的宏量可控制备与应用”方向。以新型二维纳米材料—石墨烯功能材料体系为研究对象,针对我国在原创性基础研究和具有重大应用前景的新型纳米材料领域的重大需求,建立高质量石墨烯的化学制备方法以及高质量大面积石墨烯的表面控制生长技术。实现石墨烯材料的可控有序组装与复合,揭示石墨烯纳米片的尺寸效应,界面性质和协同作用。进一步弄
2、清石墨烯材料的表面、边缘态、缺陷态等结构因素带来的新现象和新功能。利用宏量制备石墨烯开发石墨烯材料在能量存储方面应用和大面积石墨烯材料在新原理的柔性磁电器件等方面的实际应用。拟解决的关键科学问题:1.建立结构、性能可控的石墨烯大批量、低成本化学制备技术,探讨石墨烯制备和生长过程中的机理和结构控制途径。基本解决石墨烯的层数、尺寸、缺陷控制方面的基础理论与技术问题。2.弄清大面积石墨烯薄膜的成核、生长原理,建立一种高质量石墨烯薄膜的廉价、高效制备技术。解决基底生长石墨烯导电性和载流子迁移率低的问题。3.克服石墨烯材料分散性差,不易加工成型的缺
3、点。通过自组装和纳米复合建立微/纳米尺寸石墨烯片与大块或大面积实用材料之间的桥梁。总结石墨烯片自组装和纳米复合的一般规律。4.揭示石墨烯材料中的尺寸效应,协同与界面作用的分子与结构机理。建立石墨烯边缘态、缺陷态的控制理论和技术。弄清基底或覆盖物作用下石墨烯有限体系的电子和自旋磁性的调控机制。探索边缘稳定、结构可控的石墨烯纳米结构的实现途径、可控制备方法。5.系统解决石墨烯器件中材料比表面积小、载流子迁移率低,稳定性差等问题。研制出具有实用价值的石墨烯基超级电容器,新原理磁电器件和量子器件等。针对以上五个科学问题,拟开展的研究内容包括:1.
4、石墨烯的化学可控制备石墨烯的宏量制备是关于该材料基础研究与工业应用的核心问题之一。目前获得宏量石墨烯的有效途径是首先利用氧化剂化学剥离石墨获得氧化石墨烯,然后通过化学或热还原技术部分修复氧化石墨烯的共轭骨架,得到化学转化石墨烯。然而,该方法条件不易控制,重复性差,还原效率较低,难以满足各种基于石墨烯结构与功能的研究和应用需要。因此,对该方法进行有效地改进以及研究和发展新的石墨烯宏量制备方法和技术非常重要。能否方便、快捷、低成本地制备结构和性能可控的高质量石墨烯的关键在于理解石墨烯生长的机理和优化材料制备工艺。本项目将在以下几个方面系统研究
5、石墨烯的宏量制备技术:(i)针对氧化剥离技术,研究氧化剂,还原剂,催化剂和基质材料的作用机理及化学剥离过程中的关键控制因素;特别建立弱氧化法制备低缺陷高质量氧化石墨烯的新技术;(ii)探索石墨烯生长过程中碳原子成键形成共轭单原子层状结构的原理,通过化学方法与气相真空沉积技术对氧化石墨烯的共轭骨架进行有效修复,使之恢复石墨烯的各种优异性能;(iii)研究石墨烯的掺杂方法;重点考察硼、氮、硫等元素加入石墨烯共轭骨架后对石墨烯片(带)结构及性能的影响和调控作用;(iv)应用自下而上制备石墨烯的概念,从结构确定的有机共轭小分子出发,通过各种化学方
6、法获得组成、结构和尺寸均匀可控的石墨烯纳米带以及石墨烯片层结构;(v)发展具有不同结构的石墨烯的高效分离方法,宏量制备尺寸均一,低缺陷,导电性优越的单层石墨烯材料。2.大面积石墨烯薄膜的基底控制生长大面积石墨烯的可控制备、性能调控和物性测量是确定其具体应用的重要前提。本课题将围绕石墨烯的控制生长、性能调控、物性测量及其相关理论开展研究:发展基体上高质量石墨烯的控制生长方法;探索石墨烯可控剪裁和化学修饰方法,实现石墨烯材料的性能调控;发展石墨烯可控转移技术,构筑石墨烯传感和柔性电子器件;探索石墨烯表面介电材料覆盖技术,研究基底、表面介电材料
7、对石墨烯电子输运特性影响,探索石墨烯电子器件与电路的集成可行性;理论与实验结合研究石墨烯能带调控方式、金属电极接触结构、电磁场、应力、温度等要素对石墨烯电子器件性能影响,为石墨烯电子器件设计和性能提高提供指导,探索石墨烯新型量子器件原理。通过本项目实施,力争解决石墨烯的控制生长、性能调控和物性测量等基本科学问题及重大技术难题,为石墨烯的应用奠定科学基础。3.石墨烯的可控组装与复合通过化学剥离的方法可以大量制备单层石墨烯。但是所得的石墨烯片往往在纳米和微米的尺度,同时不溶解也不熔化。为了得到具有实用价值的大块石墨烯材料,同时提高或拓展其功能
8、和应用,自组装与纳米复合是现实可行的途径。本项目将采用不同小分子或高分子通过共价键对石墨烯进行可控修饰的方法,探讨其反应过程与结构调控机理;研究不同电子给体和受体修饰石墨烯的方法;研究含有大p
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