石墨烯可控制备、物性与器件项目可研报告(30页)-石油化工(编辑修改稿)

石墨烯可控制备、物性与器件项目可研报告(30页)-石油化工(编辑修改稿)内容摘要：

和垂直站立的石墨烯，并实现对石墨烯材料几何结构和特征的可控制备；利用我们在单分子水平对分子结构和物性调控方面的经 验，采用金属和硅单晶作为基底热解含碳化合物制备石墨烯，研究它的载流子迁移率和边缘态特征，并研究功能有机分子在其表面及边缘的结构和物性；利用在富勒烯和碳纳米管材料制备方面积累的实验条件和研究基础，进行石墨烯的化学制备和功能化修饰。 同时本项目也将开展石墨烯精细几何和电子结构及其它物理性质和器件开发等相关基础问题的研究。 可以看出，这些技术方案不但结合了我们的研究基础和研究特长，而且包含很多创新点，这些研究的开展可望产生国际一流的研究成果。 （ 3）研究团队实力雄厚。 项目组成员是由一批年轻有为、精力充沛、思维敏捷 、富于挑战和创新的中、青年科学工作者组成。 他们已在纳米科技相关研究领域取得了一系列重要进展，做出了一批有影响的创新性工作。 如在国际超一流刊物上发表了几十篇论文，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。 同时，课题组成员中有多人在美欧日等国际一流课题组中有研究、学习、访问进修的经历， 为本项目取得重大突破提供了人员力量的保证。 （ 4）课题承担 单位具备国际先进的研究平台。 本项目承担单位为中科院物理研究所，中科院化学研究所，中科院大连化物所， 国家纳米科学中心 ，北京交通大学 和 武汉大学，这些单位在纳米结构制备、观测和物性表征、及器件应用等方面建立了一整套较为系统完善的具有国际先进水平的技术支撑平台，可为本项目的实施提供重要的实验设备保障。 课题设置 各课题间相互关系 根据总体研究目标及拟解决的关键科学问题， 本项目将 设置四个课题。 在设置课题时充分发挥各承担单位的优势，并高度重视课题之间的密切配合与协作。 课题的设置既保持相对的独立，重点突出，又相互衔 接交叉，围绕研究目标，形成有机的研究体系。 (1) 做到重点突出而不失系统性：以高质量石墨烯的制备为主线，结合我们已有的研究基础，开展多种制备方法的探讨，同时进行精细结构表征，基本物理问题探索，基本物性测量及原型器件构建的研究； (2) 充分发挥各参加单位的优势和学术骨干的专长，以及在材料制备和物性研究方面的坚实基础，通过系统化的研究内容将所有承担该项目的研究人员紧密结合在一起； (3) 强调研究的突破点、原创性和系统性的结合。 如下图所示， 四个课题各有侧重点，而且相互 衔接 交叉，形成了完整的高质量石墨烯材料制备、结 构表征及基本物性和原型器件探索的研究框架体系，理论研究与实验研究密切联系，多学科背景的研究人员交叉协作，将为在石墨烯相关前沿问题上取得重大突破，为实现本项目预期目标提供了有利条件和必要的保障。 课题 1 高质量石墨烯 的可控制备 课题 2 石墨烯的掺杂、修饰 与物性调控 课题 3 石墨烯的 结构 及基 本物性 石墨烯 课题 4 的 功能 器件 课题 1：高质量石墨烯的可控制备 研究目标： 发展完善高质量石墨烯制备方法，包括基于 SiC 单晶基底生长，基于金属基底外延 ， 化学气相沉积法生长 ，化学液相合成法 生长等；争取在 12 种方法上取得突破，制备出高质量石墨烯或新型石墨烯材料。 发展 石墨烯的 低成本宏量 制备 技术。 为基于石墨烯新一代电子元器件的探 索提供高质量的材料，奠定强有力的实验基础。 研究内容： 承担单位 已掌握 SiC 单晶生长和掺杂的核心技术，可生长出达到国际先进水平的高质量 SiC 晶体。 利用这个优势，将开展基于 SiC 的高质量石墨烯的制备和物性的研究， 研究石墨烯的结构和性能与 SiC 基底的晶型、晶向、导电类型的关系；研究特定晶向的 SiC 基底上石墨烯的特征与生长工艺参数等因素的关系，总结、归纳出可控制备大面积、高质量石墨烯的技术和途径，掌握可控制备满足器件应用需求石墨烯的方法。 探索可控制备垂直站立石墨烯 团 簇的关键因素，形成具有自主知识产权的可控制备垂直 站立石墨烯的技术，探索垂直站立石墨烯特有属性和潜在应用。 并将利用已有的超 高真空系统，采用 有机分子束外延 的方法，利用若干种和石墨烯晶格匹配的金属单晶体表面作为基底，热解预先设计好的碳合物或含杂原子的碳合物，在单分子水平来控制和研究石墨烯的生成和 掺杂 ，探索制备出高质量石墨烯单层和多层薄膜；探索石墨烯的形状和尺寸的控制；探索石墨烯在不同固体表面的转移。 采用高温热解碳化物颗粒的方法来实现宏量、低成本制备高质量石墨烯材料。 本课题同时将向课题 2， 3 和 4 提供样品，进行功能化修饰，研究其基本物理和构建器件。 经费比例 ： ~30% 承担单位： 中科院物理研究所，中科院化学研究所 ， 中科院大连化物所 课题负责人： 陈小龙 学术骨干： 郭丽伟，王业亮，翟润生 , 武斌 课题 2：石墨烯的掺杂、修饰与物性调控 研究目标： 获得可控的对石墨烯进行物理和化学修饰的方法，研究出 12 种基于掺杂、表面修饰和分子组装等新的石墨烯物性调控方法。 掌握石墨烯基体系的生长及自组装结构的调控技术。 研究内容： 有效实现在生成过程向石墨烯的掺杂， 从而调制石墨烯成金属或半导体 ；并开展掺杂浓度对石墨烯能带结构的影响；采用化学方法生长石墨烯， 生长过程对石墨烯进行官能 团修饰。 采用大环共轭石墨烯前驱体分子和数个具有良好综合性能的含各种杂原子的石墨烯前驱体分子，为特定几何构型的高质量石墨烯的形成和性能的研究提供模型分子。 通过生长过程优化处理，采用模板，化学修饰等辅助手段使石墨烯材料形貌可控，更方便地构筑器件和研究石墨烯材料形貌和光电性能之间的关系；探寻杂原子的引入与石墨烯分子光、电等性能之间的联系。 开展石墨烯和具有特殊光电特性的共轭高分子的化学键合，得到长期稳定和结构均一的石墨烯复合功能体系，并研究其可能的各种特异性能。 通过本项目的实施，争取在石墨烯材料的制 备、化学修饰、加工及构筑相关分子器件等方面取得一系列具有自主知识产权的成果。 在新型超高性能石墨烯分子器件的设计、组装、新功能及工作原理方面进行探索。 建立起完善的石墨烯检测表征与修饰加工测试平台。 本课题也将对课题 1 的样品进行化学修饰性能的对比研究；也将向课题 3 和 4 提供样品，研究其的基本物性和构建器件。 经费比例： ~21％ 承担单位： 武汉大学 国家纳米科学中心 中国科学院物理研究所 课题负责人： 陈兴国 学术骨干： 傅恩琴， 单自兴， 周金平 ，贺蒙， 王刚 课题 3：石墨烯的 结构与 基本物性 研究目标： 从实验和理论上揭示高质量石墨烯的特征电子结构，对其局域电、磁特性作出定量分析。 掌握石墨烯的自旋电子和磁学性能之间的关系。 弄清楚石墨烯的输运性质、光电性能及其性能与结构之间的关系。 发现 石墨 烯 的 一两种 奇异性质。 研究内容： 利用极低温强磁场扫描隧道显微镜（ STM）结合扫描隧道谱 (STS)研究石墨烯的精细原子结构，电子结构及量子输运行为。 测量石墨烯中缺陷处在不同偏压下的微分谱像，计算出石墨烯中载流子的迁移速度。 测量石墨烯膜的扶手椅型（ armchair）边缘和锯齿型（ zigzag）边缘的局域结构和电、磁性质； 利用四探针扫描隧道显微镜对 石墨烯材料体系电学输运性质和热电性质的研究。 在此基础上，理论和实验紧密结合，研究石墨烯不同边缘态处结构对物性的影响；研究功能原子 /分子与石墨烯的关联及奇异物性，研究石墨烯模板对分子自组装结构的调制及其物性的调控；研究石墨烯不同边缘态对有机分子的吸附结构和物性的影响；研究石墨烯上 磁性分子的量子行为。 研究石墨烯在极端条件下的量子特性。 研究杂质引起石墨烯的局域化，局域态和非局域态间的转变等。 研究石墨烯在低温强磁场下的量子输运行为，研究石墨烯中狄拉克电子所特有的量子相干特性及其量子霍尔等宏 观量子物态。 本课题也将利用国际先进的扫描探针系统协助课题1 和 2 开展不同方法合成的石墨烯的结构物性研究，如其长程有序度、局域电子态和边缘态等。 理论上为石墨烯的制备、物性表征与调控，以及原型器件和应用探索提供理论与计算的指导与解释。 本课题同时将向课题 2 和 4 提供样品，进行石墨烯的功能化和器件构建。 经费比例： ~ 24％ 承担单位： ，北京交通大学，中国科学院物理研究所 课题负责人： 王永生 学术骨干： 肖文德 ，闫新中，张希清 课题 4： 石墨烯的功能器件 研究目标： 制备出 23 种基于石墨烯的高性能电极材料，集成并应用 于电化学燃料电池和电化学超级电容器中。 获得石墨烯基精确可控的亚微米结构刻蚀工艺技术，实现石墨烯微纳加工集成，在分子尺度上搭建石墨烯基纳米结构，理解载流子输运和注入特性，研制基于石墨烯的纳米电子器件和生物传感器件。 研究内容： 在宏量制备石墨烯的基础上，研究以石墨烯为催化剂载体，制备金属 /石墨烯电极材料，实现高效的电催化反应，应用于高效率燃料电池。 研究石墨烯与搭载金属催化剂之间的相互作用，利用石墨烯独特的结构获得高度分散、高稳定性、高活性的金属催化剂。 对石墨烯进行改性和修饰，利用掺杂或化学修饰的石墨烯材料直接 作为电化学催化剂来实现相关的电化学能源转化过程，探索采用碳基材料来减少并部分替代在燃料电池中广泛使用的贵金属催化剂材料。 研究石墨烯的掺杂、表面修饰、功能化等对石墨烯在电催化反应的调变作用，探索燃料电池中电催化反应机理。 利用石墨烯的高比表面积、高导电率、高导热率，研究石墨烯在电化学储能中的应用。 关键在于制备高比表面积的多孔石墨烯材料，研究比表面积、孔径分布、表面官能化等对比电容、功率密度、循环性能等电容器性能的影响。 将石墨烯电极材料与集流器、电解质相集成，构建基于石墨烯电极材料的超级电容器。 研发石墨烯材料器 件，并对石墨烯材料器件工作原理和相关特性进行深入剖析，为石墨烯器件的应用研究奠定基础。 在石墨烯材料器件方面，将采用电子束光刻，电子束和光学混合曝光，等离子体刻蚀技术制作石墨烯纳电子器件等，解决全石墨电子纳米器件集成制造过程中的微纳加工科学与技术问题，合理优化每步工艺，研究微纳传感器集成加工技术。 根据我们的基础，光学性能方面将开展对石墨烯材料中喇曼散射和电子 – 声子耦合，光学吸收和反射性， Landau 能级的光谱研究等。 输运特性方面，将研究在弱磁场下石墨烯器件的电子输运，还有石墨烯掺杂有机材料中载流子迁移率的影响。