石墨烯的可控制備、物性與器件研究項目可行性研究報告

1、石墨烯的可控制備、物性與器件研究項目可行性研究報告二、預(yù)期目標(biāo)本項目的總體目標(biāo)本項目的總體目標(biāo)是在大面積高質(zhì)量石墨烯的可控、宏量制備,摻雜和化學(xué)修飾功能化,基本物性探測和調(diào)控,原型器件構(gòu)建等方面取得一系列具有深遠(yuǎn)影響的自主知識產(chǎn)權(quán)成果,形成有特色的研究體系.通過對石墨烯材料的一系列重要物性的探測,為新型超高性能石墨烯器件的設(shè)計、組裝和應(yīng)用提供重要的依據(jù).獲得一批國際水平的研究成果,使我國在石墨烯研究領(lǐng)域,特別是高質(zhì)量石墨烯材料制備方面和物性研究方面達(dá)到國際前沿水平.同時,希望通過組織這一項目,形成一些具有國際影響的研究平臺,培養(yǎng)和造就一批高水平且有國際競爭力的研究隊伍,形成在石墨烯研究領(lǐng)域中具

2、有國際影響的研究群體,提升我國的科學(xué)競爭力和科學(xué)地位.五年預(yù)期達(dá)到的具體目標(biāo)1. 發(fā)展完善大面積高質(zhì)量石墨烯制備方法,包括基于 SiC 單晶基底生長,基于金屬基底外延,基于化學(xué)氣相沉積方法,液相合成方法等；爭取在 1-2 種方法上取得突破,制備出毫米級的高質(zhì)量石墨烯或新型類石墨烯.2獲得可控的對石墨烯進(jìn)行物理和化學(xué)修飾的方法,研究出 1-2 種基于摻雜、表面修飾和分子組裝等新的石墨烯物性調(diào)控方法.掌握石墨烯對外來功能分子及金屬原子的生長及自組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控技術(shù).3. 從實驗和理論上揭示高質(zhì)量石墨烯的特征電子結(jié)構(gòu),對其局域電、磁特性作出定量分析.掌握石墨烯的自旋電子和磁學(xué)性能之間的關(guān)系.弄清楚石墨

3、烯的輸運性質(zhì)、光電性能及其性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,實現(xiàn)其載流子遷移率調(diào)控.發(fā)現(xiàn)石墨烯的一兩種奇異性質(zhì).4發(fā)展 1-2 種宏量制備石墨烯材料的方法,制備出 2-3 種基于石墨烯的高性能電極材料,集成并應(yīng)用于電化學(xué)燃料電池和電化學(xué)超級電容器中；獲得石墨烯精確可控的亞微米結(jié)構(gòu)刻蝕工藝技術(shù),實現(xiàn)石墨烯微納加工集成.在分子尺度上搭建石墨烯基納米結(jié)構(gòu),理解載流子輸運和注入、傳輸層特性,研制基于石墨烯的納米電子器件.在項目開展的五年內(nèi)：在國際高水平學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文 150 篇以上,在國際一流刊物 上發(fā)表 10 篇左右；做40 次以上會議邀請報告；取得 20 項以上國家和國際相關(guān)專利；培養(yǎng)一支高水平的、在國際上

4、有重要影響的學(xué)術(shù)隊伍；培養(yǎng) 50 名以上的博士研究生.三、研究方案本項目的學(xué)術(shù)思路本項目針對石墨烯這一新物質(zhì)形態(tài)的關(guān)鍵問題及前沿發(fā)展動態(tài),結(jié)合我們自身的工作基礎(chǔ)和國家納米科學(xué)重大科學(xué)研究計劃開展相關(guān)的研究.重點圍繞高質(zhì)量石墨烯材料這一主線,將物理、化學(xué)、材料和微納加工相結(jié)合,研究石墨烯精細(xì)幾何和電子結(jié)構(gòu),探測石墨烯的基本物性,掌握石墨烯結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)聯(lián),為基于石墨烯的新型器件研究提供基礎(chǔ)；并利用微納加工技術(shù),構(gòu)建基于石墨烯的功能器件.我們以大面積、高質(zhì)量石墨烯材料的可控制備為主要突破口,以石墨烯基器件應(yīng)用為導(dǎo)向,強(qiáng)調(diào)材料、實驗和理論計算之間的互相促進(jìn)與合作,按照研究手段和研究對象各自的特點,從

5、幾個不同但又相互密切關(guān)聯(lián)、相對獨立又相互滲透、依存的角度組織課題,有針對性地對石墨烯的若干基本問題開展研究.例如：探索幾種高質(zhì)量石墨烯的可控、宏量制備方法；有效實現(xiàn)石墨烯的摻雜和官能團(tuán)修飾,調(diào)控其物性；測量其電、光、磁學(xué)等宏觀特性和局域性能,研究結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)聯(lián)；研制基于石墨烯的電子學(xué)和電化學(xué)器件等.在研究課題的設(shè)置和隊伍的組織上,特別強(qiáng)調(diào)物理、化學(xué)、材料與信息電子四大學(xué)科相結(jié)合,理論與實驗相結(jié)合,基礎(chǔ)與應(yīng)用相結(jié)合.在項目組織上將充分發(fā)揮各承擔(dān)單位各自優(yōu)勢,高度重視課題之間的密切配合與協(xié)作.課題的劃分既保持相對的獨立性,又注重相互交叉滲透,以保證研究工作前后的銜接和橫向的配合,確保項目高效、高

6、質(zhì)量、順利地進(jìn)行.下面敘述研究的主要技術(shù)途徑、與國內(nèi)外同類研究相比的創(chuàng)新點與特色、以及取得重大突破的可行性分析.本項目的研究方案和主要技術(shù)途徑一基于 SiC 基底制備高質(zhì)量石墨烯,進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征與物性調(diào)控.在平躺石墨烯制備方面：將采用物理所生長的高質(zhì)量、大尺寸的導(dǎo)電型和半絕緣型4H-和 6H-SiC 晶體,將晶體加工成不同偏角或取向的晶片.偏角 SiC 基底為0001偏 4-20.不同取向的 SiC 基底包括0001、000-1、10-10、11-20、10-11、11-21等,采用機(jī)械化學(xué)拋光和氫腐蝕使晶面粗糙度小于 0.2 nm.采用脈沖電子束輻照的方法對這些晶片進(jìn)行熱分解生長石墨烯：使用不

7、同加速電壓、輻照時間等技術(shù)參數(shù)控制晶體表面石墨化,獲得大面積、層數(shù)可控的石墨烯或類石墨烯新結(jié)構(gòu)；另外,采用熱退火方法在 SiC 基底上外延生長石墨烯：通過調(diào)控退火溫度、退火爐的壓強(qiáng)和保護(hù)氣體的流量,有效控制石墨烯的尺寸、厚度和均勻性.在站立石墨烯的制備方面：由于站立石墨烯的制備方法與平躺石墨烯的技術(shù)方法有截然不同的生長機(jī)制,說明生長站立石墨烯有其特殊的生長條件要求.從我們前期初步獲得的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)：生長站立的石墨烯要求生長溫度高1500以上、提供活性的原子碳源及合適的生長襯底.我們擁有的 PVT 爐、SiC 基底可以滿足這三個基本要素,能夠滿足垂直站立石墨烯的制備要求.我們將采用 PVT 設(shè)備,研

8、究襯底表面處理工藝、襯底表面的初始模板化、襯底晶向等對站立石墨烯結(jié)構(gòu)、形貌特征的影響；研究生長參數(shù)溫度、壓力、氣體種類、氣體流量和比率等與石墨烯特征的關(guān)系；總結(jié)、歸納可控制備垂直站立石墨烯的工藝技術(shù)包括對石墨烯形狀、高度、分布密度和分布規(guī)律等的控制；探索利用基底模板化或采用表面催化的方法生長有序排列石墨烯的可能性.在石墨烯的表征方面：將對不同工藝條件下獲得的石墨烯的結(jié)構(gòu)、形貌特征和物性進(jìn)行研究,指導(dǎo)生長參數(shù)的調(diào)整和生長工藝的改進(jìn).將借助相襯光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡SEM、原子力顯微鏡AFM和透射電子顯微鏡等對石墨烯的形貌、結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析；借助 Raman 散射、X 射線光電子能譜XPS、

9、角分辯光電子能譜ARXPS等對石墨烯的微結(jié)構(gòu)、厚度、均勻性和電子結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究和分析；借助 Hall 效應(yīng)測量石墨烯的遷移率和載流子濃度；借助掃描隧道顯微鏡STM及其配套測試設(shè)備, 研究站立石墨烯的力學(xué)、熱電等特性；借助透射和反射譜研究站立石墨烯團(tuán)簇的吸收特性及該特性與石墨烯團(tuán)簇物理參數(shù)密度、高度等的關(guān)系.這些表征方法已被大量的實驗證明是研究薄膜材料的有效方法,已在碳納米管和石墨烯的研究中廣泛使用.承擔(dān)單位長期從事 SiC 單晶生長研究,解決了大尺寸 SiC 晶體生長、加工和清洗的關(guān)鍵技術(shù),可以提供各種尺寸、不同電導(dǎo)率、晶型、晶向和偏角的 SiC 基底,保證及時、便利地為本課題提供各種所需的

10、SiC 基底.采用脈沖電子輻照技術(shù)在 SiC 基底上外延石墨烯是我們獨創(chuàng)的一種制備石墨烯的新方法,有可能對揭示石墨烯的形成過程有所貢獻(xiàn).我們提出的在不同晶向的 SiC 基底上生長石墨烯是目前未見報道的,而且可行性很高.本課題所采用的生長站立石墨烯的設(shè)備PVT是我們實驗室具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備,對設(shè)備的了解和掌控有利于本課題生長條件的把握和生長參數(shù)的控制.模板法或表面催化方法在制備有序排列的量子點或碳納米管陣列中已獲得成功應(yīng)用,有可能為制備有序排列的站立石墨烯提供可能性.前期在 SiC 襯底上外延生長石墨烯的扎實積累,對生長站立石墨烯有啟發(fā)和借鑒意義,可以幫助我們敏銳地把握站立石墨烯不同于平躺石

11、墨烯特有的物理特征.二基于金屬基底,開展大面積、高質(zhì)量石墨烯的分子束外延法制備,并研究石墨烯的長程結(jié)構(gòu)特征及其局域的電、磁特性.擬采用若干種和石墨烯晶格匹配的金屬單晶體為基底例如,Ru,Ni,Ir111,Pt111等,熱解預(yù)先設(shè)計好的含碳化合物例如,乙烯,乙炔,苯,吡啶等,探索制備出大面積高質(zhì)量石墨烯.在潔凈的高真空環(huán)境中,石墨烯可望鋪滿整個基底,達(dá)到大面積目標(biāo).在亞原子單層的沉積速率控制下,可望獲得近似零缺陷的石墨烯,這將是全新的,為進(jìn)一步的研究奠定堅實的基礎(chǔ).在制備過程中,我們將嘗試通過一系列手段調(diào)節(jié)、控制膜結(jié)構(gòu)的層數(shù)和元素?fù)诫s.另外,從實驗結(jié)果出發(fā),配合分子動力學(xué)模擬,優(yōu)化設(shè)計實驗方案,

12、提高產(chǎn)率和質(zhì)量的均一性.在實驗上,利用國際先進(jìn)的超高真空有機(jī)分子束外延低能電子衍射掃描隧道顯微鏡聯(lián)合系統(tǒng)來制備樣品,實時獲得生長過程中樣品的準(zhǔn)確信息,實現(xiàn)對分子生長過程的精確監(jiān)控.超高真空系統(tǒng)提供獲得原子級平整單晶表面的必要條件.OMBE 可以精確到亞單層的沉積速率,保證高質(zhì)量無缺陷石墨烯結(jié)構(gòu)的獲得.LEED 可以很好地表征樣品的長程有序度.研究石墨烯的長程結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)單元的電子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)和生長機(jī)制.STM 可以研究產(chǎn)物的精細(xì)幾何結(jié)構(gòu)和電子態(tài)結(jié)構(gòu).特別是低溫STM 可以在4 K 以下溫度工作,從而可以抑制原子和分子在表面的擴(kuò)散,消除溫度對電子態(tài)的展寬,得到準(zhǔn)確的、本征的電子結(jié)構(gòu)信息.在結(jié)構(gòu)

13、和物性研究方面,將采用STM 結(jié)合第一性原理理論計算研究其原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu).測量石墨烯中缺陷處在不同偏壓下的微分譜像,根據(jù)缺陷周圍局域態(tài)密度隨偏壓的變化特點,算出石墨烯中載流子的遷移速度.測量石墨烯膜的扶手椅型arm-chair邊緣和鋸齒型zig-zag邊緣的局域電、磁性質(zhì).理論上預(yù)言有不同的磁性,STM 使我們可以確認(rèn)石墨烯的邊緣態(tài)并研究其局域的電、磁性質(zhì).通過四探針掃描隧道顯微鏡 達(dá)到原子級分辨, 配合使用Keithley4200 半導(dǎo)體測試儀,可實現(xiàn)樣品的四端法測量,該設(shè)備樣品臺可進(jìn)行從 30K 到 500 K 變溫,研究熱、光等對石墨烯體系的電輸運性質(zhì)的影響.在此基礎(chǔ)上,我們可以進(jìn)一

14、步在單分子水平研究石墨烯對外來功能分子酞菁過渡金屬化合物,并五苯等或金屬原子 高導(dǎo)電性的金,銀；磁性的鐵,鈷；催化性質(zhì)的鉑等 的生長及自組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控,研究其對功能分子物性的調(diào)控,如磁性分子的近藤效應(yīng)Kondo effect和塞曼效應(yīng)Zeeman effect等, 研究石墨烯不同邊緣態(tài)處結(jié)構(gòu)對物性的影響.研究石墨烯及石墨烯基材料體系輸運特性：包括石墨烯的電學(xué)輸運性質(zhì)和熱電性質(zhì)的研究等.更進(jìn)一步,我們將開展石墨烯上磁性分子中量子隧道和量子相變的研究.大量狀態(tài)的統(tǒng)計平均總是會掩蓋量子態(tài)的分立特性,宏觀量子效應(yīng)在固體材料上很少可以直接觀測到,但也有例外,如 Josephson 效應(yīng)、de Hass-

15、van Alphen 效應(yīng)和量子霍耳效應(yīng)等.因此,當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)在宏觀的分子磁體的磁滯回線上出現(xiàn)等磁場間隔的一系列臺階,立刻引起了國際學(xué)術(shù)界的轟動；這是分子磁體中量子自旋態(tài)之間的宏觀量子共振隧道現(xiàn)象的直接證據(jù).在這方面,我們將研究單個磁性分子在石墨烯上的量子自旋態(tài)及其量子共振隧穿.在強(qiáng)磁場和極低溫下研究石墨烯的量子輸運行為,量子相干特性,以及金屬絕緣體相變等基本問題.研究雜質(zhì)引起的局域化,局域態(tài)和非局域態(tài)間的轉(zhuǎn)變等.三開展石墨烯的化學(xué)修飾和功能化.以實現(xiàn)石墨烯的功能化為目標(biāo),以石墨烯的結(jié)構(gòu)修飾為研究重點,為石墨烯的性能研究及電子器件的提供材料基礎(chǔ).1以不同的金屬為催化劑和使用不同的碳源,采用化學(xué)氣

16、相沉積方法生長石墨烯,優(yōu)化石墨烯材料的生長條件,采用模板,化學(xué)修飾等手段調(diào)控石墨烯的尺寸和形貌,可以更方便實現(xiàn)石墨烯的圖案化,有利于構(gòu)筑光電器件.利用掩膜和石墨烯再生長兩種技術(shù)途徑,直接生長異質(zhì)結(jié)或半導(dǎo)體 P-N 結(jié),并進(jìn)一步研究它們的輸運性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì).2利用化學(xué)法合成石墨烯, 例如以苝和苝酰亞胺等功能分子為結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建不同長度、形狀的共軛帶狀分子體系,發(fā)展結(jié)構(gòu)確定石墨烯納米帶分子可控合成的高效方法,實現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)和分子量可控.引入各種原子,包括非金屬原子如N,S,Se,P 等和金屬原子如 Ni2+,Pd2+,Pt2+等來構(gòu)筑新型石墨烯,改變石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)和電子性能,以期獲得性能優(yōu)異的新型的

17、石墨烯材料.并對摻雜原子的濃度進(jìn)行控制.擬合成的含各種原子的新型石墨烯材料包括：每個結(jié)構(gòu)單元中含有單個摻雜原子的石墨烯分子；含多個同種摻雜原子的石墨烯分子；含多個不同摻雜原子的石墨烯分子.探尋摻雜原子的引入與石墨烯光、電等性能之間的聯(lián)系.3選用具有特殊光學(xué)、電學(xué)以及磁學(xué)性能的共軛高分子體系,其主鏈由各種共軛的芳香環(huán)組成,2000 年的諾貝爾化學(xué)獎就是授予這個領(lǐng)域.使石墨烯和共軛高分子體系鍵合,得到穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)均一的新型石墨烯復(fù)合功能材料,并研究其可能的各種特異性能.目前,石墨烯與高分子之間更多的是物理方法的混合.存放時間長一些后,往往組分分布不變得均勻,造成體系性能的降低甚至喪失.4通過紅外光譜

18、、拉曼散射光譜、電容電阻測量、深能級瞬間響應(yīng)譜、霍爾效應(yīng)等方法分析功能化石墨烯材料的晶格振動、電導(dǎo)率、深能級缺陷、載流子的濃度和遷移率的變化；通過傳導(dǎo)電荷的測量,研究石墨烯摻雜有機(jī)材料作為傳輸層與器件匹配后的載流子遷移能力；通過 X 射線光電子能譜、紫外光電子能譜研究器件各層之間的能級匹配關(guān)系,結(jié)合器件的電學(xué)性能及發(fā)光性能亮度、效率的測量,研究能級匹配與電學(xué)、發(fā)光性能之間的規(guī)律.四設(shè)計和開發(fā)新型石墨烯器件.基于石墨烯大規(guī)模制備技術(shù),將獲得的宏量石墨烯材料制備成電催化劑以及電極材料,采用三電極測試池研究基于石墨烯電極材料的電化學(xué)反應(yīng)性能；以石墨烯為電極材料,集成并構(gòu)建超級電容器；結(jié)合微加工技術(shù),

19、對所獲得的大面積石墨烯進(jìn)行裁減加工,搭建電極,探討性能豐富、獨特的器件；通過混合曝光提高石墨烯電子納米器件的制作效率,降低制作成本,實現(xiàn)納米尺度精確可控的納米電子學(xué)器件.1以碳化硅顆粒為前驅(qū)物,采用高溫?zé)峤夥ㄖ苽浜炅?、自支撐石墨烯材?將金屬催化劑擔(dān)載到石墨烯表面并制備成電極材料,在三電極電池體系下測量基于石墨烯的電催化材料的循環(huán)伏安I-V曲線,研究包括氧還原反應(yīng)ORR、甲醇氧化反應(yīng)等電化學(xué)反應(yīng)性能；在碳化硅單晶生長垂直取向的石墨烯結(jié)構(gòu),對石墨烯進(jìn)行擔(dān)載金屬或化學(xué)官能化,以碳化硅晶體支撐的石墨烯材料作為電極,研究其在燃料電池中的催化性能.2利用過渡金屬碳化物為前驅(qū)物,高溫選擇性反應(yīng)去除金屬原子

20、制備石墨烯材料；選擇具有層狀結(jié)構(gòu)的碳化物結(jié)構(gòu),在選擇性去除金屬后制備高比表面積、多孔的石墨烯片層材料；選擇水溶液和有機(jī)溶液兩類電解質(zhì)體系,將石墨烯電極材料與集流器集成構(gòu)建超級電容器模型原件；利用電化學(xué)工作站評價電容器的循環(huán)伏安特性、充放電性能、安全性等,研究石墨烯的比表面積、孔隙率、導(dǎo)電性等對超級電容器性能的影響.3利用 CMOS 工藝在硅基襯底上制作基于石墨烯材料的晶體管,利用光學(xué)光刻或電子束光刻和金屬剝離工藝在石墨烯上制備出金屬電極作為源、漏電極.利用常溫、低溫探針臺、精密半導(dǎo)體參數(shù)測試儀、脈沖源等儀器在不同溫度下和不同磁場下測量晶體管各電極間的直流和脈沖 I-V 及 C-V 曲線,從而測

21、試閾值電壓、開關(guān)比等一系列的電學(xué)特性,分析材料的輸運特性,研究器件尺寸對器件性能的影響.4研制石墨烯傳感器.利用上述微加工技術(shù)制作石墨烯晶體管,置入特定的氣體或液體環(huán)境中,石墨烯吸附分子或離子后,晶體管的開關(guān)響應(yīng)和載流子遷移率等將發(fā)生變化,研究響應(yīng)的靈敏度和檢測對象的選擇性.進(jìn)一步地,研究化學(xué)修飾或摻雜后的石墨烯器件的靈敏度；選擇特殊的化學(xué)修飾或摻雜的分子、原子,使石墨烯傳感器的具有特定的用途.5研制石墨烯光電子器件.研究石墨烯材料體系的光學(xué)特性：包括石墨烯材料中喇曼散射和電子-聲子耦合的研究；石墨烯光學(xué)吸收和反射性質(zhì)研究；石墨烯材料Landau 能級的光譜研究等.探索石墨烯作為光伏器件電子受

22、體材料的構(gòu)造與特性,設(shè)計研究基于石墨烯有機(jī)光伏器件激活層的微結(jié)構(gòu),通過對基于石墨烯光伏器件成膜氛圍、基板溫度和退火方法等問題的探索,控制石墨烯層的尺寸、功能和器件結(jié)構(gòu),進(jìn)一步控制合成微觀結(jié)構(gòu)有序、均一的復(fù)合體；再將具有一定方向性的高遷移率的無機(jī)分子以規(guī)則排列的方式與導(dǎo)電聚合物制成薄膜,為載流子提供連續(xù)有效的傳輸途徑.6研制石墨納米生物傳感器件.高集成密度石墨烯傳感器陣列應(yīng)用于高空間分辨率的細(xì)胞電生理檢測.結(jié)合納米加工技術(shù)和細(xì)胞生物學(xué)方法,構(gòu)造多個石墨烯納米電子元件與神經(jīng)細(xì)胞的人造突觸組成的傳感陣列.通過檢測信號之間的關(guān)聯(lián)性,研究同一細(xì)胞的不同位置及不同細(xì)胞間電生理信號的關(guān)聯(lián),為理解神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的

23、信號傳導(dǎo)機(jī)制提供新方法.五開展石墨烯基本物性的理論研究.發(fā)展和完善研究石墨烯的理論與計算方法,對實驗體系進(jìn)行模擬與分析.擬將采用電子輸運理論、緊束縛近似方法、電子密度泛函理論,側(cè)重研究石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和輸運特性、鐵磁-石墨烯-鐵磁自旋閥、石墨烯組成的量子點、石墨烯與超導(dǎo)耦合、磁場下電子輸運、最小電導(dǎo)、無序效應(yīng)、石墨烯的光電特性等.發(fā)展和完善石墨烯的電子結(jié)構(gòu)計算方法和輸運理論, 定量描述石墨烯結(jié)構(gòu)和物性之間的關(guān)系,解釋石墨烯的相關(guān)實驗結(jié)果,探索化學(xué)修飾的微觀機(jī)理,發(fā)現(xiàn)和研究石墨烯光電響應(yīng)機(jī)制,調(diào)制石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能的機(jī)制,為我國石墨烯的實驗和應(yīng)用研究提供一些有意義的理論依據(jù)和指導(dǎo).具體選

24、擇性地解決下述幾個關(guān)鍵問題：1 石墨烯材料局域電學(xué)特性定量分析；2 石墨烯摻雜對載流子遷移率的調(diào)控；3 石墨烯體系中 Dirac 費米子的輸運問題；4金屬基底上石墨烯對于整個體系熱電性質(zhì)的調(diào)制作用；5石墨烯電學(xué)輸運性質(zhì)的研究.與國內(nèi)外同類研究相比的創(chuàng)新點與特色本項目的開展具有重要的現(xiàn)實意義和長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義.石墨烯在短時間內(nèi)很快成為國際研究熱點,源于它表現(xiàn)出來的許多奇異性能使它很可能成為構(gòu)成未來微納電子器件、光電子器件、電化學(xué)儲能器件等的新基石.而我國在這一國際前沿研究領(lǐng)域還剛剛起步.因此,本項目的開展不但可以彌補我國在石墨烯研究方面的弱勢,擺脫落后的局面,使我國在石墨烯研究方面在國際上迎頭趕上

25、,也有可能使我國在石墨烯的某些特殊物性的研究上有所突破、擁有國際競爭力和地位.同時可繼續(xù)保持和加強(qiáng)我國在碳納米材料研究方面的國際影響力,為我國在石墨烯材料和器件的自主創(chuàng)新方面奠定堅實的基礎(chǔ).在項目設(shè)計上,研究內(nèi)容從石墨烯制備到物性研究,再到調(diào)控性能和原理器件研制,既突出研究重點,也強(qiáng)調(diào)課題間有機(jī)的銜接和配合,同時也體現(xiàn)了很好的系統(tǒng)性.本項目擬選擇高質(zhì)量、大面積石墨烯材料的制備作為切入點,利用我國在納米材料制備方面積累的實驗條件和研究基礎(chǔ),探索幾種新的可行性的制備方法,例如發(fā)展脈沖電子輻照技術(shù)制備石墨烯、探索制備垂直站立石墨烯的新方法、在不同 SiC 晶向的基底熱分解法制備石墨烯,在金屬基底上制

26、備石墨烯等新方法,化學(xué)合成石墨烯等,力爭在制備方法上取得 1-2 項的重大突破.在制備高質(zhì)量石墨烯的基礎(chǔ)上,進(jìn)行物性及其性能調(diào)控研究,并深入開展與之相關(guān)的理論研究,形成實驗驗證理論,理論指導(dǎo)實驗,這是本項目的另一特色與創(chuàng)新.基于高質(zhì)量石墨烯其物性調(diào)控的認(rèn)識,開展新型物理化學(xué)器件的研究,也是本項目的一大特色.本項目在研究內(nèi)容、關(guān)鍵科學(xué)問題的凝煉和研究目標(biāo)的確立方面具有自己的特色.將重點圍繞高質(zhì)量石墨烯材料這一主線,開展石墨烯精細(xì)結(jié)構(gòu)和基本物性探測,探索結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)聯(lián),研發(fā)石墨烯器件構(gòu)建等相關(guān)基礎(chǔ)問題.除了達(dá)到擺脫當(dāng)前落后局面這一目標(biāo),也為我國在石墨烯方面的研究水平盡快進(jìn)入國際先進(jìn)行列提供重要的

27、保障.取得重大突破的可行性分析本項目取得重大突破的基本要素是完全具備的：1研究對象是新穎的,蘊含很多需解決的重要科學(xué)問題.石墨烯這一物質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)自 2004 年發(fā)現(xiàn)以來,其研究成果對凝聚態(tài)物理的發(fā)展可能產(chǎn)生重大影響,并存在重大應(yīng)用前景,對新物性、新器件的發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)生具有深遠(yuǎn)意義.它已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點之一,成為各國競相爭取的又一科技制高點.但盡管如此,由于研究歷史短,許多重要、關(guān)鍵的科學(xué)問題尚不清楚,許多可能影響整個凝聚態(tài)物理重大發(fā)展的新現(xiàn)象、新規(guī)律和新用途還有待去發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識.例如：獲得一定產(chǎn)率的、均勻的、大面積、高質(zhì)量的石墨烯的有效制備方法,仍然亟待研究；發(fā)展石墨烯材料的可控、宏量、低

28、成本制備新技術(shù)；如何精確表征石墨烯的原子結(jié)構(gòu)、局域電子態(tài)和邊緣態(tài),尚待解決；石墨烯的輸運性質(zhì)與原型分子器件及其性質(zhì)有待深入研究；所有這些方面都將帶給我們機(jī)遇.集中力量在這些方向上開展創(chuàng)新性的工作,完全有望取得重大突破.2技術(shù)方案與現(xiàn)有研究基礎(chǔ)和研究條件很好地匹配.當(dāng)前高質(zhì)量石墨烯的制備是個急需解決的問題.本項目擬選擇高質(zhì)量大面積石墨烯材料的制備作為的切入點,利用我們已經(jīng)長時間積累的研究基礎(chǔ)和研究條件,制定了多種可行的技術(shù)方案.例如：利用我們自己生產(chǎn)的高質(zhì)量 SiC 晶體及其高精度表面加工,基于 SiC單晶基底制備平躺和垂直站立的石墨烯,并實現(xiàn)對石墨烯材料幾何結(jié)構(gòu)和特征的可控制備；利用我們在單分

29、子水平對分子結(jié)構(gòu)和物性調(diào)控方面的經(jīng)驗,采用金屬和硅單晶作為基底熱解含碳化合物制備石墨烯,研究它的載流子遷移率和邊緣態(tài)特征,并研究功能有機(jī)分子在其表面及邊緣的結(jié)構(gòu)和物性；利用在富勒烯和碳納米管材料制備方面積累的實驗條件和研究基礎(chǔ),進(jìn)行石墨烯的化學(xué)制備和功能化修飾.同時本項目也將開展石墨烯精細(xì)幾何和電子結(jié)構(gòu)及其它物理性質(zhì)和器件開發(fā)等相關(guān)基礎(chǔ)問題的研究.可以看出,這些技術(shù)方案不但結(jié)合了我們的研究基礎(chǔ)和研究特長,而且包含很多創(chuàng)新點,這些研究的開展可望產(chǎn)生國際一流的研究成果.3研究團(tuán)隊實力雄厚.項目組成員是由一批年輕有為、精力充沛、思維敏捷、富于挑戰(zhàn)和創(chuàng)新的中、青年科學(xué)工作者組成.他們已在納米科技相關(guān)研

30、究領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展,做出了一批有影響的創(chuàng)新性工作.如在國際超一流刊物上發(fā)表了幾十篇論文,包括：Phys. Rev. Lett. 30 篇,J. Am. Chem. Soc. 15 篇,Angew.Chem. Int. Ed. 6 篇,Adv. Mater. 10 篇,Nano Letters 10 篇.同時,課題組成員中有多人在美歐日等國際一流課題組中有研究、學(xué)習(xí)、訪問進(jìn)修的經(jīng)歷,為本項目取得重大突破提供了人員力量的保證.4課題承擔(dān)單位具備國際先進(jìn)的研究平臺.本項目承擔(dān)單位為中科院物理研究所,中科院化學(xué)研究所,中科院 XX 化物所,國家納米科學(xué)中心,交通大學(xué)和 XX大學(xué),這些單位在納米

31、結(jié)構(gòu)制備、觀測和物性表征、及器件應(yīng)用等方面建立了一整套較為系統(tǒng)完善的具有國際先進(jìn)水平的技術(shù)支撐平臺,可為本項目的實施提供重要的實驗設(shè)備保障.課題設(shè)置各課題間相互關(guān)系根據(jù)總體研究目標(biāo)及擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題,本項目將設(shè)置四個課題.在設(shè)置課題時充分發(fā)揮各承擔(dān)單位的優(yōu)勢,并高度重視課題之間的密切配合與協(xié)作.課題的設(shè)置既保持相對的獨立,重點突出,又相互銜接交叉,圍繞研究目標(biāo),形成有機(jī)的研究體系. 做到重點突出而不失系統(tǒng)性：以高質(zhì)量石墨烯的制備為主線,結(jié)合我們已有的研究基礎(chǔ),開展多種制備方法的探討,同時進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)表征,基本物理問題探索,基本物性測量及原型器件構(gòu)建的研究； 充分發(fā)揮各參加單位的優(yōu)勢和學(xué)術(shù)骨

32、干的專長,以及在材料制備和物性研究方面的堅實基礎(chǔ),通過系統(tǒng)化的研究內(nèi)容將所有承擔(dān)該項目的研究人員緊密結(jié)合在一起； 強(qiáng)調(diào)研究的突破點、原創(chuàng)性和系統(tǒng)性的結(jié)合.如下圖所示,四個課題各有側(cè)重點,而且相互銜接交叉,形成了完整的高質(zhì)量石墨烯材料制備、結(jié)構(gòu)表征及基本物性和原型器件探索的研究框架體系,理論研究與實驗研究密切聯(lián)系,多學(xué)科背景的研究人員交叉協(xié)作,將為在石墨烯相關(guān)前沿問題上取得重大突破,為實現(xiàn)本項目預(yù)期目標(biāo)提供了有利條件和必要的保障.課題 1：高質(zhì)量石墨烯的可控制備課題 2石墨烯的摻雜、修飾與物性調(diào)控研究目標(biāo)：課題 1高質(zhì)量石墨烯課題 4的可控制備發(fā)展完善高質(zhì)量石墨烯制備方法,包括基于 SiC 單晶

33、基底生長,基于金屬基石墨烯的功能器件種方法上取得底外延,化學(xué)氣相沉積法生長,化學(xué)液相合成法生長等；爭取在 1-2突破,制備出高質(zhì)量石墨烯或新型石墨烯材料.發(fā)展石墨烯的低成本宏量制備技術(shù).為基于石墨烯新一代電子元器件的探索提供高課質(zhì)題量的3材料,奠定強(qiáng)有力的實驗基礎(chǔ). 石墨烯的結(jié)構(gòu)及基本物性研究內(nèi)容：承擔(dān)單位已掌握 SiC 單晶生長和摻雜的核心技術(shù),可生長出達(dá)到國際先進(jìn)水平的高質(zhì)量 SiC 晶體.利用這個優(yōu)勢,將開展基于 SiC 的高質(zhì)量石墨烯的制備和物性的研究,研究石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能與 SiC 基底的晶型、晶向、導(dǎo)電類型的關(guān)系；研究特定晶向的 SiC 基底上石墨烯的特征與生長工藝參數(shù)等因素的關(guān)

34、系,總結(jié)、歸納出可控制備大面積、高質(zhì)量石墨烯的技術(shù)和途徑,掌握可控制備滿足器件應(yīng)用需求石墨烯的方法.探索可控制備垂直站立石墨烯團(tuán)簇的關(guān)鍵因素,形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可控制備垂直站立石墨烯的技術(shù),探索垂直站立石墨烯特有屬性和潛在應(yīng)用.并將利用已有的超高真空系統(tǒng),采用有機(jī)分子束外延的方法,利用若干種和石墨烯晶格匹配的金屬單晶體表面作為基底,熱解預(yù)先設(shè)計好的碳合物或含雜原子的碳合物,在單分子水平來控制和研究石墨烯的生成和摻雜,探索制備出高質(zhì)量石墨烯單層和多層薄膜；探索石墨烯的形狀和尺寸的控制；探索石墨烯在不同固體表面的轉(zhuǎn)移.采用高溫?zé)峤馓蓟镱w粒的方法來實現(xiàn)宏量、低成本制備高質(zhì)量石墨烯材料.本課題同

35、時將向課題 2,3 和 4 提供樣品,進(jìn)行功能化修飾,研究其基本物理和構(gòu)建器件.經(jīng)費比例：30%承擔(dān)單位：課題負(fù)責(zé)人：學(xué)術(shù)骨干：課題 2：石墨烯的摻雜、修飾與物性調(diào)控研究目標(biāo)：獲得可控的對石墨烯進(jìn)行物理和化學(xué)修飾的方法,研究出 1-2 種基于摻雜、表面修飾和分子組裝等新的石墨烯物性調(diào)控方法.掌握石墨烯基體系的生長及自組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控技術(shù).研究內(nèi)容：有效實現(xiàn)在生成過程向石墨烯的摻雜,從而調(diào)制石墨烯成金屬或半導(dǎo)體；并開展摻雜濃度對石墨烯能帶結(jié)構(gòu)的影響；采用化學(xué)方法生長石墨烯,生長過程對石墨烯進(jìn)行官能團(tuán)修飾.采用大環(huán)共軛石墨烯前驅(qū)體分子和數(shù)個具有良好綜合性能的含各種雜原子的石墨烯前驅(qū)體分子,為特定幾何

36、構(gòu)型的高質(zhì)量石墨烯的形成和性能的研究提供模型分子.通過生長過程優(yōu)化處理,采用模板,化學(xué)修飾等輔助手段使石墨烯材料形貌可控,更方便地構(gòu)筑器件和研究石墨烯材料形貌和光電性能之間的關(guān)系；探尋雜原子的引入與石墨烯分子光、電等性能之間的聯(lián)系.開展石墨烯和具有特殊光電特性的共軛高分子的化學(xué)鍵合,得到長期穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)均一的石墨烯復(fù)合功能體系,并研究其可能的各種特異性能.通過本項目的實施,爭取在石墨烯材料的制備、化學(xué)修飾、加工及構(gòu)筑相關(guān)分子器件等方面取得一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成果.在新型超高性能石墨烯分子器件的設(shè)計、組裝、新功能及工作原理方面進(jìn)行探索.建立起完善的石墨烯檢測表征與修飾加工測試平臺.本課題也將對

37、課題 1 的樣品進(jìn)行化學(xué)修飾性能的對比研究；也將向課題 3 和 4 提供樣品,研究其的基本物性和構(gòu)建器件.經(jīng)費比例： 21承擔(dān)單位：課題負(fù)責(zé)人：學(xué)術(shù)骨干：課題 3：石墨烯的結(jié)構(gòu)與基本物性研究目標(biāo)：從實驗和理論上揭示高質(zhì)量石墨烯的特征電子結(jié)構(gòu),對其局域電、磁特性作出定量分析.掌握石墨烯的自旋電子和磁學(xué)性能之間的關(guān)系.弄清楚石墨烯的輸運性質(zhì)、光電性能及其性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系.發(fā)現(xiàn)石墨烯的一兩種奇異性質(zhì).研究內(nèi)容：利用極低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡STM結(jié)合掃描隧道譜研究石墨烯的精細(xì)原子結(jié)構(gòu),電子結(jié)構(gòu)及量子輸運行為.測量石墨烯中缺陷處在不同偏壓下的微分譜像, 計算出石墨烯中載流子的遷移速度. 測量石墨烯

38、膜的扶手椅型arm-chair邊緣和鋸齒型zig-zag邊緣的局域結(jié)構(gòu)和電、磁性質(zhì)；利用四探針掃描隧道顯微鏡對石墨烯材料體系電學(xué)輸運性質(zhì)和熱電性質(zhì)的研究.在此基礎(chǔ)上,理論和實驗緊密結(jié)合,研究石墨烯不同邊緣態(tài)處結(jié)構(gòu)對物性的影響；研究功能原子/分子與石墨烯的關(guān)聯(lián)及奇異物性,研究石墨烯模板對分子自組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)制及其物性的調(diào)控；研究石墨烯不同邊緣態(tài)對有機(jī)分子的吸附結(jié)構(gòu)和物性的影響；研究石墨烯上磁性分子的量子行為.研究石墨烯在極端條件下的量子特性.研究雜質(zhì)引起石墨烯的局域化,局域態(tài)和非局域態(tài)間的轉(zhuǎn)變等.研究石墨烯在低溫強(qiáng)磁場下的量子輸運行為,研究石墨烯中狄拉克電子所特有的量子相干特性及其量子霍爾等宏觀量

39、子物態(tài).本課題也將利用國際先進(jìn)的掃描探針系統(tǒng)協(xié)助課題 1 和 2 開展不同方法合成的石墨烯的結(jié)構(gòu)物性研究,如其長程有序度、局域電子態(tài)和邊緣態(tài)等.理論上為石墨烯的制備、物性表征與調(diào)控,以及原型器件和應(yīng)用探索提供理論與計算的指導(dǎo)與解釋.本課題同時將向課題 2 和 4 提供樣品,進(jìn)行石墨烯的功能化和器件構(gòu)建.經(jīng)費比例： 24承擔(dān)單位：,課題負(fù)責(zé)人：學(xué)術(shù)骨干：課題 4：石墨烯的功能器件研究目標(biāo)：制備出 2-3 種基于石墨烯的高性能電極材料,集成并應(yīng)用于電化學(xué)燃料電池和電化學(xué)超級電容器中.獲得石墨烯基精確可控的亞微米結(jié)構(gòu)刻蝕工藝技術(shù),實現(xiàn)石墨烯微納加工集成,在分子尺度上搭建石墨烯基納米結(jié)構(gòu),理解載流子輸

40、運和注入特性,研制基于石墨烯的納米電子器件和生物傳感器件.研究內(nèi)容：在宏量制備石墨烯的基礎(chǔ)上,研究以石墨烯為催化劑載體,制備金屬/石墨烯電極材料,實現(xiàn)高效的電催化反應(yīng),應(yīng)用于高效率燃料電池.研究石墨烯與搭載金屬催化劑之間的相互作用,利用石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)獲得高度分散、高穩(wěn)定性、高活性的金屬催化劑.對石墨烯進(jìn)行改性和修飾,利用摻雜或化學(xué)修飾的石墨烯材料直接作為電化學(xué)催化劑來實現(xiàn)相關(guān)的電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化過程,探索采用碳基材料來減少并部分替代在燃料電池中廣泛使用的貴金屬催化劑材料.研究石墨烯的摻雜、表面修飾、功能化等對石墨烯在電催化反應(yīng)的調(diào)變作用,探索燃料電池中電催化反應(yīng)機(jī)理.利用石墨烯的高比表面積、高導(dǎo)

41、電率、高導(dǎo)熱率,研究石墨烯在電化學(xué)儲能中的應(yīng)用.關(guān)鍵在于制備高比表面積的多孔石墨烯材料,研究比表面積、孔徑分布、表面官能化等對比電容、功率密度、循環(huán)性能等電容器性能的影響.將石墨烯電極材料與集流器、電解質(zhì)相集成,構(gòu)建基于石墨烯電極材料的超級電容器.研發(fā)石墨烯材料器件,并對石墨烯材料器件工作原理和相關(guān)特性進(jìn)行深入剖析,為石墨烯器件的應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ).在石墨烯材料器件方面,將采用電子束光刻,電子束和光學(xué)混合曝光,等離子體刻蝕技術(shù)制作石墨烯納電子器件等,解決全石墨電子納米器件集成制造過程中的微納加工科學(xué)與技術(shù)問題,合理優(yōu)化每步工藝,研究微納傳感器集成加工技術(shù).根據(jù)我們的基礎(chǔ),光學(xué)性能方面將開展對石墨

42、烯材料中喇曼散射和電子聲子耦合,光學(xué)吸收和反射性,Landau 能級的光譜研究等.輸運特性方面,將研究在弱磁場下石墨烯器件的電子輸運,還有石墨烯摻雜有機(jī)材料中載流子遷移率的影響.研究石墨烯作為光電子器件電子受體材料的構(gòu)造與特性；設(shè)計研究基于石墨烯有機(jī)光伏器件激活層的微結(jié)構(gòu),通過不同方法改進(jìn)基于石墨烯有機(jī)光伏器件激活層的微觀結(jié)構(gòu)及其性能.基于微器件加工,制備石墨烯納電子器件和光電子器件.經(jīng)費比例：25承擔(dān)單位：課題負(fù)責(zé)人：學(xué)術(shù)骨干：四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年度2011.12011.12：第1.研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生長1.高溫生長石墨烯的真空腔室的設(shè)高質(zhì)量、大面積石墨烯的設(shè)備.計. 利

43、用自有知識產(chǎn)權(quán)的石墨烯生 2.在 2 英寸 SiC 襯底上制備出面積長設(shè)備,研制生長厘米尺寸石墨烯的較大、層數(shù)均勻的石墨烯.一關(guān)鍵技術(shù).3.金屬襯底表面制備出近似無缺陷2.開展基于SiC 的高質(zhì)量石墨烯的制的高質(zhì)量石墨烯材料.備和物性的研究,研究石墨烯的結(jié)構(gòu) 4.提出石墨烯的低成本宏量制備技和性能與 SiC 基底的晶型、晶向、導(dǎo)術(shù).年電類型的關(guān)系；探索可控制備站立石 5.發(fā)表 20 篇左右高水平研究論文,墨烯團(tuán)簇的關(guān)鍵因素.申請專利 3 項左右.3. 探索制備石墨烯的其它技術(shù)和途徑.研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第二年度2012.12012.12：1. 通過元素?fù)诫s、修飾等,調(diào)控石墨 1.在2 英寸SiC

44、襯底上制備出具有晶烯能帶.片尺寸的石墨烯.2.研究石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能與摻雜2.在金屬襯底上制備出單層厚度,厘濃度或修飾密度、晶體缺陷等因素的米尺寸、連續(xù)的石墨烯.二關(guān)系.3.提出石墨烯帶的剪裁工藝.3.石墨烯改性的相關(guān)的關(guān)鍵工藝解4.獲得石墨烯的精細(xì)原子結(jié)構(gòu),電子決方案和相關(guān)新原理的發(fā)現(xiàn).研究石結(jié)構(gòu)及量子輸運行為.墨烯生長過程,揭示其生長機(jī)理,發(fā)展5.發(fā)表 30篇左右高水平研究論文,年檢測生長過程物理量的方法.申請專利 4項左右.4.石墨烯帶裁剪中相關(guān)問題的探索.5.測量石墨烯的精細(xì)結(jié)構(gòu)及量子輸運行為.第三年度2013.12013.12：第1. 探索直接生長石墨烯的 p-n 結(jié)構(gòu).1.生產(chǎn)近百

45、克量級石墨烯.探索其可控的石墨烯摻雜,實現(xiàn)其電2.石墨烯的可控?fù)诫s和修飾,實現(xiàn)半學(xué)性質(zhì)的調(diào)控.導(dǎo)性質(zhì).3.獲得石墨烯中量子行為的測量數(shù)三2.在石墨烯表面引入電子給體和受體, 局域修飾石墨烯, 邊界原子修飾據(jù).等,調(diào)控石墨烯的傳輸性質(zhì).調(diào)節(jié)石墨4. 發(fā)表 35 篇左右高水平研究論文,烯的能帶寬度,增加其半導(dǎo)性.申請專利 5 項左右.3.測量石墨烯材料體系電學(xué)輸運性質(zhì)和熱電性質(zhì)的研究.研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第四年度2014.12014.12：第1.獲得石墨烯基精確可控的亞微米結(jié)構(gòu)刻蝕工藝技術(shù),實現(xiàn)石墨烯微納1.石墨烯帶的邊界特性及控制工藝.加工集成.2獲得石墨烯原型器件.2.研究石墨烯器件的電子輸運,還

46、有3. 獲得高性能的石墨烯納電子器件,四石墨烯摻雜有機(jī)材料中載流子遷移載流子遷移率達(dá)到 20000cm2/Vs.率的影響.4. 發(fā)表 40篇左右高水平研究論文,3.研究石墨烯中的新型量子現(xiàn)象,并 申請專利 5項左右.利用這些現(xiàn)象制備與傳統(tǒng)器件不一年樣的原型量子器件.4研究官能化石墨烯材料在電化學(xué)轉(zhuǎn)化和電化學(xué)儲能器件中的應(yīng)用.第五年度2015.12015.8：1.研制石墨烯光電子器件, 光電轉(zhuǎn)換第效率不小于 5%.1.設(shè)計研究基于石墨烯有機(jī)光伏器2. 研制石墨納米生物傳感器件,檢測件激活層的微結(jié)構(gòu),制備石墨烯納電到生命活動規(guī)律.子器件和光電子器件.3實現(xiàn)在 1-2 類電化學(xué)器件中石墨2.高集成密

47、度石墨烯傳感器陣列應(yīng) 烯材料進(jìn)行高效能源轉(zhuǎn)化和能源儲用于高空間分辨率的細(xì)胞電生理檢 存.測.4. 發(fā)表 30篇左右高水平研究論文,年3.對前四年工作中進(jìn)行全面總結(jié),準(zhǔn) 申請專利 4項左右.備驗收.一、研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題,我們結(jié)合實際情況,以高質(zhì)量大面積石墨烯材料制備為核心,同時把結(jié)構(gòu)分析,物性測量,理論剖析,原型器件的構(gòu)建有機(jī)聯(lián)系起來,展開系統(tǒng)的研究.具體研究內(nèi)容包括以下四個方面：1 高質(zhì)量石墨烯的可控制備1.1 基于高質(zhì)量 SiC 單晶基底的石墨烯制備2010 年 2 月美國賓州大學(xué)電光研究中心的科學(xué)家報道他們采用熱分解方法已在 4 英寸的 SiC 基底上生長出連續(xù)的、1-

48、2 個原子單層的石墨烯材料,然而采用熱分解制備石墨烯的技術(shù)還不成熟,所得到的石墨烯以島狀生長為主,石墨烯的層數(shù)波動較大,缺陷很多,而且不同極性的 SiC 基底制備的石墨烯的物性差別較大.因此,仍有許多物理問題和生長機(jī)制沒有解決.另外,SiC偏角基底及其它晶向基底本征固有的、規(guī)則的、納米尺度的臺階分布,有益于外延生長規(guī)則、均勻的石墨烯條帶,有望實現(xiàn)對石墨烯電子能帶的調(diào)制.然而,直到目前未見有在其它晶向的 SiC 基底上制備石墨烯的報道.中科院物理所已掌握 SiC 單晶生長和摻雜的核心技術(shù),目前已經(jīng)擁有了高品質(zhì) SiC 的生長和加工能力,因此我們有能力獲取各種晶向的 SiC 基底市場上一般只有碳面

49、和硅面,這就為我們研究在不同晶向上或不同摻雜水平的基底上生長石墨烯或類石墨烯結(jié)構(gòu)提供了保障.根據(jù)我們的基礎(chǔ)和優(yōu)勢,將開展基于 SiC 的高質(zhì)量石墨烯制備的前沿研究,研究石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能與SiC 基底的結(jié)構(gòu)類型、晶體取向、載流子濃度、摻雜濃度、晶體缺陷等因素的關(guān)系,具體如下： 嘗試不同方法,包括脈沖電子束方法在6H-和4H-SiC 單晶基底上研究生長大面積且層數(shù)精確可控的石墨烯或類石墨烯結(jié)構(gòu)的條件和關(guān)鍵因素.實現(xiàn)在SiC 襯底上獲得晶片尺度的石墨烯,實現(xiàn)層數(shù)的精確可控. 探索不同晶向或偏角的 SiC 基底包括001、110、101、111等的物理、化學(xué)處理方法,獲得規(guī)則、有序、納米尺度的原子臺

50、階；揭示其形成機(jī)制并優(yōu)選出適合生長規(guī)則、均勻石墨烯條帶的 SiC 基底取向和極性. 探索在特殊晶向的 SiC 基底上生長規(guī)則、均勻石墨烯條帶的可能性,揭示其結(jié)構(gòu)和物性特征.并掌握一套行之有效的類石墨烯表征和檢測方法. 研究石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能與 SiC 襯底的結(jié)構(gòu)類型、晶向和極性、基底摻雜、晶體缺陷等因素的關(guān)系.另外,對僅有一個單原子層厚的二維石墨烯本征物理特性的研究和認(rèn)識,排除支撐襯底對石墨烯的影響包括界面上物理和化學(xué)作用、襯底摻雜效應(yīng)等是必要的.垂直站立的石墨烯可以滿足這種要求.同時,相對于平躺的石墨烯,垂直站立的石墨烯團(tuán)簇在場發(fā)射器件和作為理想黑體材料方面有獨特、不可替代的優(yōu)勢.然而,國際

51、上可以借鑒的制備真正意義的站立石墨烯的技術(shù)幾乎沒有.而我們近期發(fā)現(xiàn)的制備垂直站立石墨烯的方法還不成熟,有待于進(jìn)行系統(tǒng)的實驗驗證、總結(jié)、歸納和完善,以便揭示垂直站立石墨烯的初始形核、生長機(jī)制和控制參數(shù),從而形成我國特有的可控制備自由站立石墨烯條帶或團(tuán)簇的完備技術(shù).具體研究內(nèi)容如下： 采用高溫生長設(shè)備,探索在 SiC 襯底上生長垂直站立石墨烯的初始形核機(jī)制,包括垂直站立石墨烯條帶的初始形核條件、形核條件與垂直站立石墨烯的形狀、層數(shù)和密度的關(guān)系； 總結(jié)影響和控制石墨烯團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的核心物理參數(shù)包括形核條件、生長壓力、生長溫度和氣流的種類和流量等,探索可控制備垂直站立石墨烯的關(guān)鍵技術(shù)； 借助襯底模板和表面

52、催化等可能的技術(shù),探索可控制備有序排列的垂直站立石墨烯的可能性和途徑； 研究垂直站立石墨烯團(tuán)簇的光吸收特性以及該特性與石墨烯團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)、密度和團(tuán)簇高度的關(guān)系,探索這種石墨烯充當(dāng)理想黑體的可能性和潛在應(yīng)用； 研究垂直站立石墨烯團(tuán)簇的場發(fā)射性質(zhì)及場發(fā)射的機(jī)制,探索石墨烯在冷陰極發(fā)射器件中的應(yīng)用.1.2 基于金屬基底的石墨烯外延生長為了制備高質(zhì)量的石墨烯,除了采用上面提到的基于 SiC 方法,我們也將采用有機(jī)分子束外延的方法,在單分子水平來控制和研究石墨烯的生成.根據(jù)我們在分子自組裝研究方面的基礎(chǔ),采用若干種和石墨烯晶格匹配的金屬單晶表面 如 Ru,Ni,Ir,Pt等作為基底,熱解預(yù)先設(shè)計好的含碳化

53、合物如乙烯 C2H4,乙炔 C2H2,苯C6H6,吡啶C6NH5 等,在潔凈的高真空環(huán)境中,探索制備出大面積高質(zhì)量石墨烯.在制備過程中,我們將嘗試通過一系列手段調(diào)節(jié)、控制膜結(jié)構(gòu)的層數(shù)和元素?fù)诫s.也將探索在硅不同表面上制備石墨烯薄膜.另外,從實驗結(jié)果出發(fā),配合分子動力學(xué)模擬,優(yōu)化設(shè)計實驗方案,提高產(chǎn)率和產(chǎn)物質(zhì)量的均一性. 在超高真空環(huán)境下,通過原位分子束外延方法制備石墨烯單層膜.為了獲得高質(zhì)量的樣品且具有高度可重復(fù)性,我們需要知道微觀行為和宏觀控制過程變量之間的關(guān)系.研究生長條件對石墨烯結(jié)構(gòu)的影響,探索重復(fù)性好、產(chǎn)率高、易控制的制備技術(shù).探索石墨烯的原位摻雜. 石墨烯長程有序度的表征.使用低能電

54、子衍射,可以得到樣品表面的衍射圖案,圖案分析可以判斷產(chǎn)物的長程有序度. 石墨烯精細(xì)原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的表征.利于掃描隧道顯微鏡STM表征石墨烯局域原子結(jié)構(gòu)的完整性,是否有缺陷、雜質(zhì)；利于掃描隧道譜STS表征石墨烯局域態(tài)密度. 研究單個原子/分子以及多個分子在石墨烯表面可能的奇異動力學(xué)行為或幾何結(jié)構(gòu),物理特征. 在石墨烯薄膜與襯底間插入金屬或半導(dǎo)體元素,研究插層元素對石墨烯幾何結(jié)構(gòu)完整性、電子結(jié)構(gòu)和輸運特性的影響.1.3石墨烯的化學(xué)氣相沉積法CVD制備碳納米管生長的工作積累告訴我們：在不同的金屬催化劑上可以生長碳納米管, 通過控制金屬催化劑的分布可調(diào)控碳納米管的生長范圍.借鑒在碳納米管方面的經(jīng)驗

55、,可采用 CVD 方法生長石墨烯,研究生長條件對其性能影響；具體內(nèi)容包括：探索層數(shù)可控、高質(zhì)量、大面積石墨烯的 CVD 制備方法.通過選擇優(yōu)化與石墨烯晶格匹配的催化劑薄膜研究影響石墨烯形成的諸多因素,并系統(tǒng)地進(jìn)行優(yōu)化.研究石墨烯生長的動力學(xué)過程,揭示其生長機(jī)理方面重要的科學(xué)問題.研究石墨烯的成核生長、終止、生長速度參數(shù)的演變與生長條件的內(nèi)在關(guān)聯(lián),并發(fā)展檢測這些生長過程物理量的方法.探索可控的石墨烯 CVD 法摻雜,進(jìn)而實現(xiàn)其電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控.此研究涉及摻雜前驅(qū)物的選擇優(yōu)化、摻雜濃度的調(diào)控和優(yōu)化影響石墨烯的生長因素.進(jìn)一步通過催化劑薄膜的設(shè)計如催化劑薄膜的圖案化,涉及一種或多種催化劑,探索直接生長

56、石墨烯的 p-n 結(jié)構(gòu).通過優(yōu)化石墨烯材料的生長過程,采用模板,圖案化的金屬層,誘發(fā)劑,化學(xué)修飾等輔助手段使石墨烯材料形貌可控,可以更方便地構(gòu)筑器件,為有機(jī)光電器件做電極材料,并研究石墨烯材料形貌和光電性能之間的關(guān)系.合成新型的石墨烯模型分子,研究雜原子的引入對其光電性能的影響,并積極篩選綜合性能優(yōu)異的石墨烯模型分子,為石墨烯的形成機(jī)理和理論研究提供分子模型.1.4 石墨烯的宏量制備我們也將探索和發(fā)展石墨烯的低成本,規(guī)?；苽浼夹g(shù).思路之一是通過溶液化學(xué)法的途徑,例如化學(xué)修飾分散/還原法；但是,溶液化學(xué)法制備的石墨烯具有很多缺陷,質(zhì)量不高.高質(zhì)量石墨烯的制備現(xiàn)在主要通過金屬單晶和 SiC 單晶

57、表面外延生長的方法,而這些過程難以實現(xiàn)大規(guī)模合成石墨烯.我們嘗試采用高溫?zé)峤馓蓟镱w粒的方法來實現(xiàn)宏量、低成本制備高質(zhì)量石墨烯材料.具體內(nèi)容包括：利用碳化硅微晶和碳化硅晶須為前驅(qū)物,通過高溫真空熱抽提 Si 的方法實現(xiàn)高質(zhì)量、自支撐石墨烯的宏量制備；研究碳化硅前驅(qū)物顆粒大小和形狀、熱解溫度等對石墨烯薄片層數(shù)、形貌、缺陷的影響；利用過渡金屬碳化物為前驅(qū)物,在反應(yīng)氣氛中高溫選擇性移出金屬原子制備石墨烯材料；研究不同碳化物結(jié)構(gòu)、反應(yīng)氣氛對形成石墨烯的影響；控制生長過程實現(xiàn)宏量、高比表面積石墨烯材料用于電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化和存儲的應(yīng)用；選擇含有 N、B 等雜原子的碳化物前驅(qū)物,研究利用高溫?zé)峤夥ê炅恐苽鋼诫s

58、石墨烯材料；調(diào)變熱解溫度和氣氛控制雜原子摻雜濃度和摻雜石墨烯的結(jié)構(gòu)；研究熱解石墨烯材料的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化和存儲性能之間的構(gòu)效關(guān)系.2 石墨烯的摻雜、化學(xué)修飾與物性調(diào)控將通過表面形貌測量、電學(xué)測量、光譜測量、及原位監(jiān)測等技術(shù)實現(xiàn)對石墨烯的表征.獲得可控的對石墨烯進(jìn)行化學(xué)和物理修飾的方法,獲得新的功能或特性.通過這些研究,一方面尋找調(diào)控石墨烯能帶結(jié)構(gòu)的方法,發(fā)現(xiàn)新的物理性質(zhì)和量子現(xiàn)象,另一方面,探索石墨烯新器件物理基礎(chǔ).石墨烯的物性調(diào)控研究主要集中在以下方面： 元素?fù)诫s調(diào)控：包括載流子摻雜和元素?fù)诫s；石墨膜特定位置的摻雜；摻雜濃度的控制等；具體而言在生長過程中進(jìn)行摻雜,如基于 SiC 單晶石墨

59、烯生長過程的摻雜,金屬表面熱解的碳化合物中引入特定的摻雜元素. 研究石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能與摻雜濃度、晶體缺陷等因素的關(guān)系； N-型、P-型摻雜濃度對石墨烯能帶結(jié)構(gòu)的影響,并研究其輸運性質(zhì)的變化.實驗和理論計算結(jié)合研究.實現(xiàn)石墨烯摻雜對載流子遷移率的調(diào)控. 通過化學(xué)修飾,在石墨烯表面引入具有共軛結(jié)構(gòu)的電子給體和受體,局域修飾石墨烯,以及邊界原子化學(xué)修飾等,調(diào)控石墨烯的傳輸性質(zhì).使石墨烯中部分SP2 碳轉(zhuǎn)化為 SP3 碳,調(diào)節(jié)石墨烯的能帶寬度,增加其半導(dǎo)性. 將石墨烯鍵合到共軛高分子體系中,得到長期穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)均一的新型復(fù)合石墨烯功能材料,并研究其可能的各種特異性能,為新型光電子器件的構(gòu)建提供材料.目

60、前,石墨烯與高分子之間更多的是物理的混合.存放時間長一些,往往會導(dǎo)致它們在體系中分布的不均勻性,引起體系性能的降低甚至喪失. 石墨烯維度和尺寸的控制及對物性的調(diào)控：選擇小的具有特定幾何取向的石墨烯模型分子也可含各種雜原子生長石墨烯,實現(xiàn)對其維度和尺寸的控制,進(jìn)而揭示出其結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系.3 石墨烯的基本物性石墨烯的獨特的物性使其在光、電、磁、力學(xué)等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用,特別是其在分子電子學(xué)方面的潛在應(yīng)用,已引起人們的廣泛關(guān)注.在材料制備的同時,我們將針對石墨烯的電、磁、熱電、自旋等基本物性,特別是局域性質(zhì)及宏觀量子效應(yīng),開展研究；實驗探測和理論研究緊密聯(lián)系,為石墨烯的制備、物性表征與調(diào)控