《SMALL》雜志出版低維碳材料?？瘧c祝北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心成立20周年
時(shí)間：2021-04-06 16:59:04學(xué)院：化學(xué)與分子工程學(xué)院學(xué)校：北京大學(xué)
????? 北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心是一個(gè)跨院系的新型交叉學(xué)科研究機(jī)構(gòu)，其主要成員來(lái)自化學(xué)學(xué)院、工學(xué)院以及前沿交叉學(xué)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(xué)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(guó)科學(xué)院、工程院及藝術(shù)科學(xué)院三院院士麻省理工學(xué)院Mildred S. Dresselhaus教授和中心的張錦教授共同為專刊撰寫(xiě)了前言，主要介紹了20年來(lái)北京大學(xué)納米化學(xué)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(xué)自組裝、碳納米管和石墨烯的CVD控制生長(zhǎng)方法學(xué)、石墨烯的光化學(xué)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(xué)術(shù)論文，作者主要來(lái)自于北京大學(xué)納米化學(xué)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)域非常活躍的國(guó)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(xué)納米化學(xué)研究中心的現(xiàn)職人員撰寫(xiě)，集中介紹了納米化學(xué)研究中心在低維碳材料研究中取得的系列進(jìn)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(zhǎng)和帶隙的打開(kāi)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(tuán)隊(duì)發(fā)展了系列控制生長(zhǎng)和化學(xué)修飾的方法，實(shí)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(xué)氣相沉積的方法，實(shí)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(shí)，利用Rh(111)單晶在超高真空系統(tǒng)生長(zhǎng)石墨烯，詳細(xì)研究了石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)理（Small, 8, 1360-1366）。此外，采用第一性原理計(jì)算和波爾茲曼輸運(yùn)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(zhǎng)及原子尺度的表征示意圖
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????? 通過(guò)化學(xué)反應(yīng)對(duì)石墨烯進(jìn)行共價(jià)修飾，是一種簡(jiǎn)便并可規(guī)?；膶?shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯能帶調(diào)制的有效手段。中心研究團(tuán)隊(duì)提出了“光化學(xué)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(xué)誘發(fā)的活性自由基實(shí)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(shí)現(xiàn)了單層石墨烯上下表面的非對(duì)稱共價(jià)修飾，首次成功制備了迄今為止最薄的二維非對(duì)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(tuán)隊(duì)也率先開(kāi)展了石墨烯表面增強(qiáng)拉曼光譜研究，提出了平整基底上的拉曼信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)。在?？凶珜?xiě)綜述闡述了石墨烯在表面增強(qiáng)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(dǎo)體性、以及手性之別。如何實(shí)現(xiàn)碳納米管單一導(dǎo)電屬性的控制制備是其應(yīng)用的關(guān)鍵，也是實(shí)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(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了金屬性碳納米管向半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體器件領(lǐng)域，異質(zhì)界面的修飾及器件性能的調(diào)控對(duì)提高器件的性能和構(gòu)建新的功能發(fā)揮重要作用。通過(guò)表界面修飾可以對(duì)石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的光電特性進(jìn)行調(diào)控，有利于實(shí)現(xiàn)其在未來(lái)的半導(dǎo)體器件領(lǐng)域中的應(yīng)用。中心研究團(tuán)隊(duì)在界面調(diào)控的思想指導(dǎo)下，利用單分子自組裝膜作為半導(dǎo)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(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。撰文系統(tǒng)闡述了異質(zhì)界面的修飾對(duì)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(guó)家自然科學(xué)基金委和教育部基金的資助。
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