《SMALL》雜志出版低維碳材料?？瘧c祝北京大學納米化學研究中心成立20周年
時間：2021-04-06 16:59:04學院：化學與分子工程學院學校：北京大學
????? 北京大學納米化學研究中心是一個跨院系的新型交叉學科研究機構(gòu)，其主要成員來自化學學院、工學院以及前沿交叉學科研究院。劉忠范院士為中心創(chuàng)始主任。為了慶祝納米化學研究中心成立20周年，Small雜志于2013年4月出版了低維碳材料?？?。中心主任劉忠范院士，美國科學院、工程院及藝術(shù)科學院三院院士麻省理工學院Mildred S. Dresselhaus教授和中心的張錦教授共同為?？珜懥饲把裕饕榻B了20年來北京大學納米化學研究中心在低維碳材料方面的研究工作，包括碳納米管的化學自組裝、碳納米管和石墨烯的CVD控制生長方法學、石墨烯的光化學工程、sp2碳材料的拉曼光譜、分子/納電子器件及生物傳感等。本?？彩占?6篇學術(shù)論文，作者主要來自于北京大學納米化學研究中心的現(xiàn)職人員和已經(jīng)從中心走出去的畢業(yè)生，以及在低維碳材料領(lǐng)域非?；钴S的國內(nèi)外同行。
圖一、低維碳材料?？饷?/span>
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????? ?？杏?0篇論文是由北京大學納米化學研究中心的現(xiàn)職人員撰寫，集中介紹了納米化學研究中心在低維碳材料研究中取得的系列進展。
????? 石墨烯作為零帶隙的半金屬材料，其結(jié)構(gòu)的控制生長和帶隙的打開與調(diào)控是石墨烯在電子器件中應(yīng)用的關(guān)鍵。中心研究團隊發(fā)展了系列控制生長和化學修飾的方法，實現(xiàn)了石墨烯材料能帶的部分調(diào)控。首先，發(fā)展了單一固體源（含硼、碳）的化學氣相沉積的方法，實現(xiàn)了大面積、均勻的硼摻雜、帶隙可調(diào)石墨烯的可控制備(Small, 8, 1316-1320)。同時，利用Rh(111)單晶在超高真空系統(tǒng)生長石墨烯，詳細研究了石墨烯的生長機理（Small, 8, 1360-1366）。此外，采用第一性原理計算和波爾茲曼輸運方程系統(tǒng)研究了石墨烯-氮化硼雜化體系的本征遷移率 (Small, 8, 1373-1378)。
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圖二、金屬基底上石墨烯的控制生長及原子尺度的表征示意圖
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????? 通過化學反應(yīng)對石墨烯進行共價修飾，是一種簡便并可規(guī)?；膶崿F(xiàn)對石墨烯能帶調(diào)制的有效手段。中心研究團隊提出了“光化學能帶工程”的概念，建立了石墨烯的光催化剪紙技術(shù)、光氯化加成和光致甲基化等新方法，利用光化學誘發(fā)的活性自由基實現(xiàn)了碳-碳鍵的修飾、剪裁和能帶調(diào)控。此外利用石墨烯的光氯化與苯基加成等反應(yīng)，結(jié)合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的輔助轉(zhuǎn)移技術(shù)，實現(xiàn)了單層石墨烯上下表面的非對稱共價修飾，首次成功制備了迄今為止最薄的二維非對稱結(jié)構(gòu)— Janus石墨烯（Small, 8, 1134-1143; Small, 8, 1348-1352; Small, 8, 1388-1396）。
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圖三、石墨烯光氯化加成中的尺寸維度效應(yīng)示意圖
????? 中心研究團隊也率先開展了石墨烯表面增強拉曼光譜研究，提出了平整基底上的拉曼信號增強技術(shù)。在?？凶珜懢C述闡述了石墨烯在表面增強拉曼光譜研究中的多重作用（Small, 8, 1206-1224）。
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????? 碳納米管有金屬性和半導體性、以及手性之別。如何實現(xiàn)碳納米管單一導電屬性的控制制備是其應(yīng)用的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)碳納米管在電子及光電器件中應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。中心研究團隊根據(jù)不同碳納米管反應(yīng)性和吸附性能的差異，建立了選擇分離和轉(zhuǎn)化的方法：一是在生長的石英基底上，利用SDS與金屬性碳納米管的相互作用，利用超生輔助法去除金屬性碳納米管（Small, 8, 1306-1311）；二是利用光催化輔助技術(shù)實現(xiàn)了金屬性碳納米管向半導體性碳管的轉(zhuǎn)化以及碳納米管的剪裁與圖案化（Small, 8, 1336-1341）。
圖四、金屬性/半導體性單壁碳納米管陣列的洗滌分離法示意圖
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????? 在半導體器件領(lǐng)域，異質(zhì)界面的修飾及器件性能的調(diào)控對提高器件的性能和構(gòu)建新的功能發(fā)揮重要作用。通過表界面修飾可以對石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的光電特性進行調(diào)控，有利于實現(xiàn)其在未來的半導體器件領(lǐng)域中的應(yīng)用。中心研究團隊在界面調(diào)控的思想指導下，利用單分子自組裝膜作為半導體層，石墨烯或碳納米管等碳材料作為電極制備出了具有高遷移率的有機場效應(yīng)晶體管。撰文系統(tǒng)闡述了異質(zhì)界面的修飾對器件性能調(diào)控的影響（Small, 8, 1144-1159）。
圖五、異質(zhì)界面的修飾及器件性能的調(diào)控示意圖（?？瘍?nèi)封面）
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?????? 該系列研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委和教育部基金的資助。
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