拓扑绝缘体二维纳米结构与器件

拓扑绝缘体是一种全新的量子功能材料,具有绝缘性体能带结构和受时间反演对称性保护的自旋分辨的金属表面态,属于Dirac粒子系统,将在新原理纳电子器件、自旋器件、量子计算、表面催化和清洁能源等方面有广泛的应用前景.理论和实验相继证实Sb2Te3,Bi2Se3和Bi2Te3单晶具有较大的体能隙和单一Dirac锥表面态,已经迅速成为了拓扑绝缘体研究中的热点材料.然而,利用传统的高温烧结法所制成的拓扑绝缘体单晶块体样品常存在大量本征缺陷并被严重掺杂,拓扑表面态的新奇性质很容易被体载流子掩盖.拓扑绝缘体二维纳米结构具有超高比表面积和能带结构的可调控性,能显著降低体态载流子的比例和凸显拓扑表面态,并易于制备高结晶质量的单晶样品,各种低维异质结构以及平面器件.近年来,我们一直致力于发展拓扑绝缘体二维纳米结构的控制生长方法和物性研究.我们发展了拓扑绝缘体二维纳米结构的范德华外延方法,实现了高质量大比表面积的拓扑绝缘体二维纳米结构的可控制备,并实现了定点与定向的表面生长.开展拓扑绝缘体二维纳米结构的谱学研究,利用角分辨光电子能谱直接观察到拓扑绝缘体狄拉克锥形的表面电子能带结构,发现了拉曼强度与位移随层数的依赖关系.设计并构建拓扑绝缘体纳米结构器件,系统研究其新奇物性,观测到拓扑绝缘体Bi2Se3表面态的Aharonov-Bohm(AB)量子干涉效应等新奇量子现象,通过栅电压实现了拓扑绝缘体纳米薄片化学势的调控,并将拓扑绝缘体纳米结构应用于柔性透明导电薄膜.本文首先简单介绍拓扑绝缘体的发展现状,然后系统介绍我们开展的拓扑绝缘体二维纳米结构的范德华外延生长、谱学、电学输运特性以及透明柔性导电薄膜应用的研究,最后对该领域所面临的机遇和挑战进行简要的展望.

酞菁铅在石墨烯表面吸附行为的拉曼光谱研究

利用石墨烯增强拉曼散射效应可以获得与石墨烯接触的某些分子的拉曼增强信号,并且对于不同的分子或振动模,其拉曼增强因子不同.根据这一特征,本工作利用拉曼光谱技术对石墨烯表面上酞菁铅(PbPc)分子Langmuir-Blodgett(LB)膜在退火过程中吸附构型的变化进行了跟踪研究.发现随着退火温度的升高,石墨烯表面上PbPc分子的拉曼信号经历了一个先增强后减弱的过程,在升华温度点附近强度达到最大,表明PbPc发生了由直立向平躺取向的转变;同时,在PbPc分子升华温度点附近,由于对称性破坏导致散射截面低的振动模出现,并且该振动模强度随着退火温度的进一步升高而增强,表明非平面的PbPc分子受石墨烯π-π相互作用的影响而形变加剧,向平面结构转变;在更高的退火温度下,则出现一些不属于PbPc分子的拉曼振动峰,表明PbPc分子在石墨烯表面由Pb(II)被还原成Pb(0).

石墨烯纤维材料的化学气相沉积生长方法

石墨烯纤维材料是以石墨烯为主要结构基元沿某一特定方向组装而成或由石墨烯包覆纤维状基元形成的宏观一维材料。根据组成基元的不同可将石墨烯纤维材料分为石墨烯纤维和石墨烯包覆复合纤维。石墨烯纤维材料在一维方向上充分发挥了石墨烯高强度、高导电、高导热等特点,在智能纤维与织物、柔性储能器件、便携式电子器件等领域具有广阔的应用前景。随着化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备石墨烯薄膜技术的发展,CVD技术也逐渐应用于石墨烯纤维材料的制备。利用CVD法制备石墨烯纤维可避免传统纺丝工艺中繁琐的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)还原过程。同时,通过CVD法直接将石墨烯沉积至纤维表面可以保证石墨烯与纤维基底之间强的粘附作用,提高复合纤维的稳定性,同时可实现对石墨烯质量的有效调控。本文综述了石墨烯纤维材料的CVD制备方法,石墨烯纤维材料优异的力学、电学、光学性质及其在智能传感、光电器件、柔性电极等领域的应用,并展望了CVD法制备石墨烯纤维材料未来的发展方向。

金属衬底在石墨烯化学气相沉积生长中的作用

以过渡金属为催化衬底的化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)已经可以制备与机械剥离样品相媲美的石墨烯,是实现石墨烯工业应用的关键技术之一。原子尺度理论研究能够帮助我们深刻理解石墨烯生长机理,为实验现象提供合理的解释,并有可能成为将来实验设计的理论指导。本文从理论计算的角度,总结了各种金属衬底在石墨烯CVD生长过程中的各种作用与相应的机理,包括在催化碳源裂解、降低石墨烯成核密度等,催化加快石墨烯快速生长,修复石墨烯生长过程中产生的缺陷,控制外延生长石墨烯的晶格取向,以及在降温过程中石墨烯褶皱与金属表面台阶束的形成过程等。在本文最后,我们对当前石墨烯生长领域中亟需解决的理论问题进行了深入探讨与展望。

碳基纳米电极在分子器件中的应用

在器件微小化的发展趋势下，以单个或少数几个分子为主体的分子器件开辟了一条将“自下而上”的化学合成、组装与“自上而下”的微纳加工技术有机结合的研究新思路。如何有效构筑新型的功能化分子器件，使之有利于实现与硅基电子器件的互补集成，是该领域发展亟需解决的关键问题，这就需要相应地发展新的材料和方法来构筑器件。碳纳米管和石墨烯这2种新型碳家族纳米材料，由于其独具魅力的结构和性质自被发现以来便在全世界范围内掀起了研究热潮，可以作为一种良好的电极材料应用于分子器件的构筑和发展。主要简述了分子器件的发展概况，特别是碳纳米管和石墨烯作为电极材料在分子器件中的应用基础研究。

光刻胶辅助的石墨烯晶圆无损转移

为实现石墨烯在光通讯、光互联、太赫兹探测等电子和光电子领域的应用价值,需要在硅基衬底上得到大面积、均一且性能优异的石墨烯薄膜材料。而高品质石墨烯薄膜的制备衬底多为金属,因此制备的石墨烯薄膜不可避免地需要通过合适的转移方法,转移到目标应用衬底上。而转移过程通常会引入破损、褶皱和污染物,其原因之一是石墨烯转移和器件加工过程中表面反复涂覆和去除转移介质聚合物和光刻胶类聚合物。为避免反复涂覆与去除高分子聚合物,本文直接利用光刻胶作为转移介质,成功实现了石墨烯的洁净转移。同时,转移后石墨烯的电学性质得到明显改善,平均载流子迁移率可达6200 cm^(2)·V^(−1)·s^(−1)。此方法可实现石墨烯等二维材料无损、洁净转移和高性能器件的构筑,将有助于推动二维材料在电子、光电子器件领域的应用。

气相助剂辅助绝缘衬底上石墨烯生长:现状与展望

借助化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)技术在绝缘衬底上直接生长的石墨烯薄膜,在能源存储/转换等领域有着广阔的应用前景。然而,绝缘衬底表面石墨烯的生长呈现成核密度高、畴区尺寸小、生长速率低等特点,获得的石墨烯薄膜往往具有较高的晶界密度和较低的层数均匀度,严重制约着石墨烯基器件性能的发挥。在反应体系中引入气相助剂可有效降低碳源裂解和石墨烯生长的能垒,从而实现石墨烯品质与生长速率的提升。本文综述气相助剂辅助绝缘衬底上石墨烯制备的方法:首先对绝缘衬底上石墨烯的生长行为进行分析;随后着重介绍几类常见的气相助剂辅助石墨烯生长的策略和机理;最后,总结绝缘衬底上制备高品质石墨烯存在的挑战,并对未来的发展方向进行展望。

石墨烯玻璃：玻璃表面上石墨烯的直接生长

玻璃是一种历史悠久、用途广泛的无定形硅酸盐材料,而石墨烯则是近年来发现的仅由碳原子组成的二维层状材料。石墨烯具有超高的机械强度、导电性、导热性和透明性,恰好与传统的玻璃形成互补。将石墨烯与玻璃结合在一起,在保持透明性的基础上,同时赋予普通玻璃导电性、导热性和表面疏水性,具有非常重要的实际意义和理论价值。相比于液相涂膜或者转移的方法,直接在玻璃表面生长石墨烯能够从根本上避免由于污染和破损引起的石墨烯性能的下降,从而发展出一种新型材料——石墨烯玻璃。本文介绍了我们研究组在各种玻璃表面直接生长石墨烯的研究进展,其中包括石墨烯在固态耐高温玻璃和熔融态玻璃表面的高温生长,以及利用等离子体辅助手段实现石墨烯在普通玻璃表面的低温生长,并以此为基础发展出多种基于石墨烯玻璃的应用实例。总结展望了石墨烯玻璃的制备和应用的未来挑战与发展方向。

金属衬底上石墨烯的控制生长和微观形貌的STM表征

目前化学气相沉积(CVD)方法在不同的金属基底上大规模生长获得石墨烯得到了广泛的应用;同时扫描隧道显微镜(STM)做为一种强大的精细直观的研究手段可以用于表征金属衬底上石墨烯的微观形貌,指导石墨烯的控制生长.本文侧重于Cu箔、Pt箔和Ni衬底上石墨烯的控制生长、表面微观形貌、表面缺陷态、堆垛形式的阐述,得到结论:(1)两种溶碳量较低的金属(Cu,Pt)上,石墨烯的生长都符合表面催化的生长机制,同时层间的范德华相互作用也可以诱导双层石墨烯的生长;(2)衬底粗糙度的增加可以使石墨烯的电子态去简并化,从而破坏石墨烯面内π键共轭结构,导致部分碳原子转变为sp3杂化;(3)原生的褶皱是由于界面热膨胀系数失配所导致;(4)Pt箔表面石墨烯的平整度要远优于Cu箔表面的石墨烯,且不同晶面共存的基底对于石墨烯的连续性并没有产生显著的影响.

合成气定向转化制低碳烯烃

低碳烯烃,包括乙烯、丙烯、丁烯,被广泛用于生产塑料、纤维等化工产品,是基本而重要的化工原料,更是现代化学工业的基石。传统是通过石脑油裂解获得低碳烯烃,对富煤贫油少气的我国来说,开发从煤炭、天然气、生物质等非石油资源制备低碳烯烃的方法具有重要的社会意义和战略意义。合成气是碳资源转化利用的重要平台。自上世纪二十年代,德国科学家Fischer和Tropsch发明了煤经合成气生产液体燃料的费托（FT）过程,

基于二维层状黑磷的高性能柔性固态超级电容器

近年来,二维纳米材料以其特殊层状结构与优良性能作为柔性储能器件电极材料,人们已进行了广泛探索研究,期望发现性能优异的柔性二维电极材料。黑磷作为一种p型直接带隙层状单元素半导体上世纪60年代已被发现,但对二维层状黑磷的广泛兴趣始于2014年其在场效应管中的成功应用,近两年相关研究激增。研究发现,

二维硼(硼烯)的成功实验获得

以石墨烯（graphene）为代表的新型二维晶体材料近年来逐渐兴起。二维材料性质各异,且易于调控和集成,其丰富多彩的电子态和物理效应为构筑新型的电子器件提供了新机遇。其中,单元素二维材料由于结构简单、易于分析和调控、可以视为模型化的二维晶体系统。

厘米级单晶石墨烯的可控生长方法

石墨烯是一种由sp2杂化的碳原子构成的六元碳环为基本单位的蜂窝状二维原子晶体。自发现以来受到了物理、化学和材料科学界的广泛关注,相关性能的研究取得了飞速进展1。值得关注的是,它超高的电子传输速率有望让这种材料成为下一代芯片的理想材料,能够制造高频率电子器件。要实现石墨烯材料高性能的利用价值,需要找到合适的大规模制备方法。目前,化学气相沉积（CVD）法相比于其他合成方法具有易规模化、

加速沸石分子筛水热晶化的羟基自由基

自由基（free radical）,又称游离基,是指具有至少一个未配对的原子或基团,如有机化合物在光热等外界条件下分子内某个共价键发生均裂而形成的活性中间产物。为了达到稳定状态,自由基极易从分子内的邻近原子或从邻近化合物分子夺取一个电子,自身变成一个分子,同时伴随着新自由基的生成。因此除了极个别情况,大多数自由基都具有较高的化学活性。自由基的种类很多,最常见的有？OH自由基、烷氧自由基及碳、

石墨烯单晶的自组装:第一个二维超有序结构

在过去的几十年里,材料的自组装一直是一个非常热门的话题,超有序的结构让材料焕发出新的活力。无论小至原子、单分子,还是大到复杂的结构单元,自组装衍生出的更高一级结构总能给我们带来惊喜1。近年来,以石墨烯为代表的二维原子晶体材料以其优异的物理化学性质引发了科学家们的研究热潮,特别是其在电学、光电器件领域中的应用潜力让我们充满期待。高质量二维晶体的自组装势必将引发新一轮的研究浪潮。武汉大学付磊教授研究组瞄准这一突破口。

杂化二维超薄结构实现低能垒的二氧化碳电催化还原

煤、石油、天然气等化石燃料的日益枯竭及其燃烧产物CO_2所引起的温室效应是影响人类可持续发展的两个重大问题。如何有效控制大气中CO_2的含量,引起了环境、材料、化学等多学科科学家的极大兴趣。虽然降低CO_2的方法有很多种,如地质埋藏和化工利用等,但是这些方法往往需要消耗额外的巨大能量。因此,开发低能耗的CO_2转化和利用技术,对保护环境和推动社会与经济的可持续发展具有巨大而深远的战略意义。

锂离子吸附行为调控抑制金属锂负极枝晶生长

锂离子电池储能具有高能量密度和便携的优势,经过20年的发展逐步获得了市场的广泛认可,在个人电子设备、电动汽车等领域实现了规模应用。在已知电极材料中,锂金属负极以3860m Ah·g-1的高容量和最负的电势（-3.040 V（vs标准氢电极））而成为储能界的＂圣杯＂,受到研究人员的广泛关注。在20世纪70年代,锂金属一次电池已经在心脏起搏器、空间探索、石油勘探等诸多领域实现了商业应用。

氮掺杂有序介孔少层碳：一种新型高比电容电极材料

碳材料具有丰富的结构构型、奇特的电子结构和非凡的物理性质。比如,单质碳的结构构型包括三维的金刚石、二维的石墨烯、一维的纳米碳管、零维的富勒烯球;其导电性能迥异,禁带宽度从金刚石的E_g=5.47 eV、C60的E_g=1.5 eV、半导型碳纳米管的E_g〉0 eV和金属型E_g=0 eV、到石墨或石墨烯的0 eV。这些特征为碳材料结构的设计和剪裁提供了便利,

一种简单快速规模化制备石墨烯块及其功能化材料的方法

石墨烯由于其高的比较表面积,优异的电学、力学、机械等性能受到广泛关注1。要实现其在生产生活中的应用,需要找到简单快速的大规模制备石墨烯的方法。化学氧化还原途径是目前大规模制备石墨烯的重要方法,但是常规的化学还原过程往往会引入各种化学试剂2,耗时且处理步骤较为繁琐,若要功能化（例如掺杂、复杂金属/金属氧化物等3,4）以满足不同的应用需求则还需要更多反应过程。

气相反应对CVD生长石墨烯的影响

化学气相沉积法(CVD)制备的石墨烯薄膜具有质量高、均匀性好、层数可控且可放大等优点,近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。在高温CVD生长过程中,除衬底表面的反应外,气相反应同样会影响石墨烯的生长行为和薄膜质量。本文将综述气相反应对CVD生长石墨烯的影响:首先对CVD体系内的气相传质过程和气相反应进行了详细讨论;随后系统介绍了基于气相调控提高石墨烯的结晶性、洁净度、畴区尺寸、层数和生长速度的相关策略及其机理;最后对气相反应影响CVD生长石墨烯的规律进行总结,并展望了未来可能的发展方向。