【文章內容簡介】 和垂直站立的石墨烯，并實現對石墨烯材料幾何結構和特征的可控制備；利用我們在單分子水平對分子結構和物性調控方面的經 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，并研究功能有機分子在其表面及邊緣的結構和物性；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，進行石墨烯的化學制備和功能化修飾。同時本項目也將開展石墨烯精細幾何和電子結構及其它物理性質和器件開發(fā)等相關基礎問題的研究?？梢钥闯?，這些技術方案不但結合了我們的研究基礎和研究特長，而且包含很多創(chuàng)新點，這些研究的開展可望產生國際一流的研究成果。 （ 3）研究團隊實力雄厚。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、青年科學工作者組成。他們已在納米科技相關研究領域取得了一系列重要進展，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、學習、訪問進修的經歷， 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 單位具備國際先進的研究平臺。本項目承擔單位為中科院物理研究所，中科院化學研究所，中科院大連化物所， 國家納米科學中心 ，北京交通大學 和 武漢大學，這些單位在納米結構制備、觀測和物性表征、及器件應用等方面建立了一整套較為系統(tǒng)完善的具有國際先進水平的技術支撐平臺，可為本項目的實施提供重要的實驗設備保障。 課題設置 各課題間相互關系 根據總體研究目標及擬解決的關鍵科學問題， 本項目將 設置四個課題。 在設置課題時充分發(fā)揮各承擔單位的優(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，形成有機的研究體系。 (1) 做到重點突出而不失系統(tǒng)性：以高質量石墨烯的制備為主線，結合我們已有的研究基礎，開展多種制備方法的探討，同時進行精細結構表征，基本物理問題探索，基本物性測量及原型器件構建的研究； (2) 充分發(fā)揮各參加單位的優(yōu)勢和學術骨干的專長，以及在材料制備和物性研究方面的堅實基礎，通過系統(tǒng)化的研究內容將所有承擔該項目的研究人員緊密結合在一起； (3) 強調研究的突破點、原創(chuàng)性和系統(tǒng)性的結合。 如下圖所示， 四個課題各有側重點，而且相互 銜接 交叉，形成了完整的高質量石墨烯材料制備、結 構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系，多學科背景的研究人員交叉協(xié)作，將為在石墨烯相關前沿問題上取得重大突破，為實現本項目預期目標提供了有利條件和必要的保障。 課題 1 高質量石墨烯 的可控制備 課題 2 石墨烯的摻雜、修飾 與物性調控 課題 3 石墨烯的 結構 及基 本物性 石墨烯 課題 4 的 功能 器件 課題 1：高質量石墨烯的可控制備 研究目標： 發(fā)展完善高質量石墨烯制備方法，包括基于 SiC 單晶基底生長，基于金屬基底外延 ， 化學氣相沉積法生長 ，化學液相合成法 生長等；爭取在 12 種方法上取得突破，制備出高質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。 為基于石墨烯新一代電子元器件的探 索提供高質量的材料，奠定強有力的實驗基礎。 研究內容： 承擔單位 已掌握 SiC 單晶生長和摻雜的核心技術，可生長出達到國際先進水平的高質量 SiC 晶體。利用這個優(yōu)勢，將開展基于 SiC 的高質量石墨烯的制備和物性的研究， 研究石墨烯的結構和性能與 SiC 基底的晶型、晶向、導電類型的關系；研究特定晶向的 SiC 基底上石墨烯的特征與生長工藝參數等因素的關系，總結、歸納出可控制備大面積、高質量石墨烯的技術和途徑，掌握可控制備滿足器件應用需求石墨烯的方法。探索可控制備垂直站立石墨烯 團 簇的關鍵因素，形成具有自主知識產權的可控制備垂直 站立石墨烯的技術，探索垂直站立石墨烯特有屬性和潛在應用。并將利用已有的超 高真空系統(tǒng)，采用 有機分子束外延 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，熱解預先設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移。 采用高溫熱解碳化物顆粒的方法來實現宏量、低成本制備高質量石墨烯材料。 本課題同時將向課題 2， 3 和 4 提供樣品，進行功能化修飾，研究其基本物理和構建器件。 經費比例 ： ~30% 承擔單位： 中科院物理研究所，中科院化學研究所 ， 中科院大連化物所 課題負責人： 陳小龍 學術骨干： 郭麗偉，王業(yè)亮，翟潤生 , 武斌 課題 2：石墨烯的摻雜、修飾與物性調控 研究目標： 獲得可控的對石墨烯進行物理和化學修飾的方法，研究出 12 種基于摻雜、表面修飾和分子組裝等新的石墨烯物性調控方法。掌握石墨烯基體系的生長及自組裝結構的調控技術。 研究內容： 有效實現在生成過程向石墨烯的摻雜， 從而調制石墨烯成金屬或半導體 ；并開展摻雜濃度對石墨烯能帶結構的影響；采用化學方法生長石墨烯， 生長過程對石墨烯進行官能 團修飾。采用大環(huán)共軛石墨烯前驅體分子和數個具有良好綜合性能的含各種雜原子的石墨烯前驅體分子，為特定幾何構型的高質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，化學修飾等輔助手段使石墨烯材料形貌可控，更方便地構筑器件和研究石墨烯材料形貌和光電性能之間的關系；探尋雜原子的引入與石墨烯分子光、電等性能之間的聯系。開展石墨烯和具有特殊光電特性的共軛高分子的化學鍵合，得到長期穩(wěn)定和結構均一的石墨烯復合功能體系，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、化學修飾、加工及構筑相關分子器件等方面取得一系列具有自主知識產權的成果。在新型超高性能石墨烯分子器件的設計、組裝、新功能及工作原理方面進行探索。建立起完善的石墨烯檢測表征與修飾加工測試平臺。 本課題也將對課題 1 的樣品進行化學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建器件。 經費比例： ~21％ 承擔單位： 武漢大學 國家納米科學中心 中國科學院物理研究所 課題負責人： 陳興國 學術骨干： 傅恩琴， 單自興， 周金平 ，賀蒙， 王剛 課題 3：石墨烯的 結構與 基本物性 研究目標： 從實驗和理論上揭示高質量石墨烯的特征電子結構，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性能之間的關系。弄清楚石墨烯的輸運性質、光電性能及其性能與結構之間的關系。發(fā)現 石墨 烯 的 一兩種 奇異性質。 研究內容： 利用極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡（ STM）結合掃描隧道譜 (STS)研究石墨烯的精細原子結構，電子結構及量子輸運行為。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。測量石墨烯膜的扶手椅型（ armchair）邊緣和鋸齒型（ zigzag）邊緣的局域結構和電、磁性質； 利用四探針掃描隧道顯微鏡對 石墨烯材料體系電學輸運性質和熱電性質的研究。在此基礎上，理論和實驗緊密結合，研究石墨烯不同邊緣態(tài)處結構對物性的影響；研究功能原子 /分子與石墨烯的關聯及奇異物性，研究石墨烯模板對分子自組裝結構的調制及其物性的調控；研究石墨烯不同邊緣態(tài)對有機分子的吸附結構和物性的影響；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。研究雜質引起石墨烯的局域化，局域態(tài)和非局域態(tài)間的轉變等。研究石墨烯在低溫強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 觀量子物態(tài)。本課題也將利用國際先進的掃描探針系統(tǒng)協(xié)助課題1 和 2 開展不同方法合成的石墨烯的結構物性研究，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、物性表征與調控，以及原型器件和應用探索提供理論與計算的指導與解釋。本課題同時將向課題 2 和 4 提供樣品，進行石墨烯的功能化和器件構建。 經費比例： ~ 24％ 承擔單位： ，北京交通大學，中國科學院物理研究所 課題負責人： 王永生 學術骨干： 肖文德 ，閆新中，張希清 課題 4： 石墨烯的功能器件 研究目標： 制備出 23 種基于石墨烯的高性能電極材料，集成并應用 于電化學燃料電池和電化學超級電容器中。獲得石墨烯基精確可控的亞微米結構刻蝕工藝技術，實現石墨烯微納加工集成，在分子尺度上搭建石墨烯基納米結構，理解載流子輸運和注入特性，研制基于石墨烯的納米電子器件和生物傳感器件。 研究內容： 在宏量制備石墨烯的基礎上，研究以石墨烯為催化劑載體，制備金屬 /石墨烯電極材料，實現高效的電催化反應，應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構獲得高度分散、高穩(wěn)定性、高活性的金屬催化劑。對石墨烯進行改性和修飾，利用摻雜或化學修飾的石墨烯材料直接 作為電化學催化劑來實現相關的電化學能源轉化過程，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的調變作用，探索燃料電池中電催化反應機理。利用石墨烯的高比表面積、高導電率、高導熱率，研究石墨烯在電化學儲能中的應用。關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、電解質相集成，構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特性進行深入剖析，為石墨烯器件的應用研究奠定基礎。在石墨烯材料器件方面，將采用電子束光刻，電子束和光學混合曝光，等離子體刻蝕技術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與技術問題，合理優(yōu)化每步工藝，研究微納傳感器集成加工技術。根據我們的基礎，光學性能方面將開展對石墨烯材料中喇曼散射和電子 – 聲子耦合，光學吸收和反射性， 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材料中載流子遷移率的影響