【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 帶結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性和光學(xué)性能。研究其尺寸效應(yīng)、摻雜作用和結(jié)構(gòu)特性。在石墨烯自組裝結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料方面，將系統(tǒng)研究石墨烯片之間的相互作用，特別是石墨烯片的尺寸對(duì)其薄膜或大塊材料的微觀結(jié)構(gòu)的影響。系統(tǒng)探索和分析石墨烯二維和三維組裝過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力，包括pp相互作用，氫鍵作用，靜電作用，親疏水相互作用和配位相互作應(yīng)等。分析石墨烯的邊緣結(jié)構(gòu)以及表面組成對(duì)穩(wěn)定其它納米材料的影響，深入探討復(fù)合材料中的界面相互作用以及各組分間的協(xié)同相互作用。另一方面將第一原理計(jì)算、多尺度建模技術(shù)和機(jī)電磁耦合實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，研究石墨烯邊緣態(tài)和缺陷態(tài)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，邊緣態(tài)和缺陷態(tài)變化導(dǎo)致的奇異物性；研究多種功能基底、封裝襯底、覆蓋層等對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)、電學(xué)、自旋磁性、邊緣態(tài)以及熱力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)可以利用的新性質(zhì)和新行為，揭示基底上石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)變化、能隙打開(kāi)、磁電效應(yīng)等性能調(diào)控的原理和機(jī)制。與結(jié)構(gòu)表征和電磁測(cè)控實(shí)驗(yàn)研究相配合，探索石墨烯邊界形貌穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)尺寸可控的原理和實(shí)現(xiàn)途徑，制備具有新原理的自旋磁性石墨烯納米器件，探索其室溫穩(wěn)定性和調(diào)控性。 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和特色是：（1）系統(tǒng)總結(jié)石墨烯的尺寸效應(yīng)，表面和結(jié)構(gòu)特性以及在復(fù)合材料中的界面與協(xié)同作用將加深對(duì)石墨烯的認(rèn)識(shí)，是知識(shí)創(chuàng)新的重要源頭。（2）探討邊緣態(tài)、缺陷態(tài)以及功能基底對(duì)石墨烯性能的影響是本課題的特色。（3）實(shí)驗(yàn)和理論研究結(jié)合，相互補(bǔ)充和驗(yàn)證是本課題的另一特色。 可行性分析：近十年來(lái)，本團(tuán)隊(duì)在化學(xué)合成不同尺寸和結(jié)構(gòu)的石墨烯方面取得了系列重要進(jìn)展。這些石墨烯材料將成為實(shí)驗(yàn)和理論研究的模型。初步研究了不同尺寸和組成石墨烯片的管狀和平面組裝，初步分析了其尺寸效應(yīng)。集中從事了碳納米材料局域場(chǎng)與外加作用和外場(chǎng)的納尺度多場(chǎng)耦合的理論和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)展了碳納米材料物理力學(xué)理論和多學(xué)科交叉融合的計(jì)算方法，在國(guó)際上率先開(kāi)展實(shí)際基底上石墨烯納米結(jié)構(gòu)的物性研究，發(fā)現(xiàn)了石墨烯的巨電致變形效應(yīng)和基底上偏壓調(diào)控的磁電效應(yīng)，揭示了基底上雙層和多層石墨烯能帶調(diào)控和pn轉(zhuǎn)化的物理機(jī)制，在石墨烯理論、器件原理、制備等方面有著厚實(shí)的知識(shí)和技術(shù)積累。所發(fā)現(xiàn)的硅基體上石墨烯納米帶所具有的奇異雙段線(xiàn)性磁電效應(yīng)，是首次在碳－硅體系中發(fā)現(xiàn)的自旋磁電效應(yīng)；發(fā)現(xiàn)力電耦合作用可以改變雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，并引起能隙可達(dá)50%變化，這對(duì)于石墨烯在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用具有重要意義。揭示了石墨烯納米帶在硅基底上結(jié)構(gòu)電性的變化規(guī)律。相關(guān)研究結(jié)果已在已在Angew. Chem., Int. Ed., Phys. Rev. lett., JACS, Appl. Phys. 。4．石墨烯的可控組裝與復(fù)合 將以二維共軛碳納米片為組裝單元，系統(tǒng)研究其多維度、多級(jí)次微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑和功能化。特別是將微米/納米尺度的石墨烯片有序組裝成大面積薄膜或大塊三維有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其組裝方法包括溶液組裝與界面組裝。例如：以石墨烯分散液作為原料，通過(guò)改變?nèi)芤旱乃釅A性，離子強(qiáng)度和組成調(diào)節(jié)石墨烯片間的相互作用，以實(shí)現(xiàn)石墨烯片的三維組裝。這一過(guò)程也可以通過(guò)水熱或化學(xué)還原來(lái)實(shí)現(xiàn)。 分散在混合溶劑中的納米片也可以通過(guò)溶劑的選擇性揮發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)三維組裝。石墨烯片也可以通過(guò)LB 膜技術(shù)和層層沉積或流體引導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)二維組裝，形成大面積薄膜。研究其組裝過(guò)程，揭示其組裝原理，比較二維石墨烯片組裝單元與零維富勒烯，一維碳納米管在組裝行為和結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)和差異，研究組裝結(jié)構(gòu)賦予石墨烯材料的新功能。還可以直接以分散在溶液中功能化石墨烯的特殊二維結(jié)構(gòu)作為模板，利用其表面的大量官能團(tuán)作為“錨點(diǎn)”，利用共價(jià)和非共價(jià)修飾技術(shù)，接枝各種功能性有機(jī)和無(wú)機(jī)材料，調(diào)控石墨烯的骨架及邊緣結(jié)構(gòu)，提高石墨烯的分散、組裝與加工性能，獲得具有高比表面的新型石墨烯材料。也可以通過(guò)調(diào)節(jié)石墨稀的共扼結(jié)構(gòu)及其雜化結(jié)構(gòu)從而調(diào)節(jié)石墨烯片層之間的化學(xué)相互作用，實(shí)現(xiàn)石墨烯的三維自組裝。其特點(diǎn)是以改善石墨烯的催化、傳感以及光電性能為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)和選擇修飾組分，建立和優(yōu)化修飾路線(xiàn)。通過(guò)選擇性非共價(jià)修飾、原位生長(zhǎng)、自組裝、化學(xué)或電化學(xué)共沉積等手段制備石墨烯與各種功能高分子，生物大分子，無(wú)機(jī)納米粒子的復(fù)合材料，探討材料的可能應(yīng)用。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和特色是: （1）利用自組裝、共價(jià)和非共價(jià)修飾以及納米復(fù)合等技術(shù)手段調(diào)節(jié)或拓展石墨烯性質(zhì)與功能是本課題的主要特色。（2）利用水熱法，化學(xué)還原技術(shù)，化學(xué)雜化與剪裁技術(shù)將二維石墨烯片構(gòu)建大塊三維有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是本課題的創(chuàng)新點(diǎn)，所制得的材料不僅在新型結(jié)構(gòu)材料、新型電極材料、生物技術(shù)和催化技術(shù)等方面有重要的應(yīng)用前景，而且可以為制備具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的新型功能材料提供指導(dǎo)。（3）系統(tǒng)研究二維石墨烯片與一維高分子鏈或碳納米管在自組裝和復(fù)合行為之間的異同點(diǎn)是該課題的另一創(chuàng)新點(diǎn)?？尚行苑治觯航陙?lái)，本團(tuán)隊(duì)在這一方面已經(jīng)取得了初步的研究進(jìn)展，例如，通過(guò)化學(xué)方法成功制備了一系列不同結(jié)構(gòu)的類(lèi)石墨烯分子材料，并進(jìn)一步組裝成一維、二維、三維炭基功能材料，測(cè)試了這些材料在催化、鋰離子電池、超級(jí)電容器等方面的性能，成功制備了透明導(dǎo)電石墨烯膜并用于太陽(yáng)能電池的窗口電極；利用化學(xué)法制備的石墨烯片組裝了具有良好透光性和導(dǎo)電性的大面積透明電極、柔性膜和水凝膠，并將石墨烯納米結(jié)構(gòu)用于汞離子的快速光學(xué)檢測(cè)中；用非共價(jià)修飾技術(shù)制備了聚（3,4二乙氧基噻吩）(PEDOT)與單層石墨烯片的復(fù)合膜，用作染料敏化太陽(yáng)能電池的對(duì)電極。制備了N摻雜的石墨烯用于催化氧氣還原石墨烯片。利用水熱和化學(xué)還原技術(shù)制備了石墨烯水凝膠。這些水凝膠具有高的力學(xué)強(qiáng)度，導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。部分水凝膠具有pH、離子響應(yīng)性和自修復(fù)功能。研究工作發(fā)表在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Int. Ed., Nano Lett., Adv. Mater., ACS Nano等重要學(xué)術(shù)刊物上，這些研究成果證明技術(shù)方案可行。 5．石墨烯基材料的應(yīng)用研究將結(jié)合自組裝和納米復(fù)合技術(shù)制備得到具有大比表面積和高導(dǎo)電性的石墨烯材料。在這類(lèi)材料中石墨烯作為導(dǎo)電組分和材料骨架結(jié)構(gòu)。因此，無(wú)需添加高分子粘合劑和導(dǎo)電納米粒子就可以制備成大塊或大面積電極用于制作超級(jí)電容器等能源相關(guān)器件。同時(shí)這類(lèi)電極具有高度的柔順性，可以裁剪、折疊成所需要的形狀。通過(guò)化學(xué)共價(jià)連接可以在石墨烯片上修飾各種電化學(xué)活性管能團(tuán)（如：對(duì)苯二酚，雙硫鍵）可進(jìn)一步提高電容器的法拉第電容。通過(guò)構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以改善材料中電解質(zhì)擴(kuò)散速度，提高電容器的快速充放電性能。利用石墨烯的高載流子遷移率可以制成超高速器件，將在制備高遷移率石墨烯的基礎(chǔ)上，發(fā)展保持其遷移率的器件制備工藝，制備高速器件。石墨烯中電子的一大特點(diǎn)就是具有贗自旋及與之相關(guān)的手性，利用這一性質(zhì)，有可能發(fā)展出與傳統(tǒng)電子器件工作原理完全不一樣的新型電子學(xué)和贗電子學(xué)器件，將研究用電場(chǎng)、磁場(chǎng)對(duì)石墨烯電子進(jìn)行有效量子調(diào)控的方法，利用這些方法研制新型磁電調(diào)控器件。研究具有高載流子遷移率的大面積石墨烯室溫量子效應(yīng)，并研制出相應(yīng)的量子器件。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和特色是：（1）利用石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為超級(jí)電容器的電極材料是本課題的創(chuàng)新，該電極具有不含高分子粘合劑和導(dǎo)電納米粒子，同時(shí)具有可加工裁剪和柔性可折疊的特色。（2）利用石墨烯的贗自旋性質(zhì)，制備新型量子器件。（3）利用具有高載流子遷移率的大面積石墨烯薄膜制備相應(yīng)的量子器件。可行性分析：本團(tuán)隊(duì)一直從事基于石墨烯的新能源器件的系統(tǒng)研究。制備了各種石墨烯納米薄膜材料用透明導(dǎo)電電極，或利用石墨烯作為電子接受體制備了高分子混合異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。制備了導(dǎo)電高分子與石墨烯的復(fù)合材料用作燃料敏化太陽(yáng)能電池的對(duì)電極?；瘜W(xué)合成了碳化氮與石墨烯的復(fù)合材料作為氧氣還原催化劑用于燃料電池。這些電極和催化劑的性能可以和常規(guī)白金電極與催化劑的活性相比。利用石墨烯納米結(jié)構(gòu)及其復(fù)合材料或水凝膠研制了各種高性能超級(jí)電容器件，這些器件具有高的容量，優(yōu)越的充放電性能和循環(huán)壽命。通過(guò)設(shè)計(jì)材料的結(jié)構(gòu)，將石墨烯片以特定方式排列組裝得到了具有優(yōu)良倍率性能的鋰離子電池。利用氧化石墨烯的半導(dǎo)體性質(zhì)在碳化硅表面外延石墨烯上制備了晶格連續(xù)的全碳石墨烯異質(zhì)結(jié)及器件；發(fā)明了一套光刻工藝，在外延石墨烯上成功制備納米晶體管陣列。這些研究結(jié)果形成了二十多篇研究論文，發(fā)表在Nat. Nanotechnol., Phys. Rev. Lett., Angew. Chem., Int. Ed., Nano lett., Adv. Mater., ACS Nano, Chem Comm. 等學(xué)術(shù)期刊上，并得到廣泛引用。另一方面我們，在高性能石墨烯薄膜和磁性材料方面也有扎實(shí)的研究基礎(chǔ)。因此，研究方案具有可行性，相信在項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的資助下，各項(xiàng)目組的協(xié)同配合下將會(huì)取得一系列創(chuàng)新性成果，使其中至少一種器件得到產(chǎn)業(yè)化。設(shè)置四個(gè)課題開(kāi)展研究工作：課題1：石墨烯的可控宏量與大面積制備主要研究?jī)?nèi)容：本課題致力于宏量制備高質(zhì)量結(jié)構(gòu)可控的石墨烯材料以及具有高載流子遷移率的石墨烯晶圓材料。建立材料的制備，性能調(diào)控與測(cè)量方法；發(fā)展其裁剪、轉(zhuǎn)移技術(shù)，系統(tǒng)研究其相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題。（1）對(duì)現(xiàn)有的化學(xué)剝離方法進(jìn)行優(yōu)化篩選。選用不同的氧化劑、插層劑及反應(yīng)條件，同時(shí)結(jié)合其