【正文】 構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。 （ 3）選用具有特殊光學、電學以及磁學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， 2020 年的諾貝爾化學獎就是授予這個領域。目前，石墨烯與高分子之間更多的是物理方法的混合。 （ 4）通過紅外光譜、拉曼散射光譜、電容電阻測量、深能級瞬間響應譜(DLTS)、霍爾效應等方法分析功能化石墨烯材料的晶格振動、電導率、深能級缺陷、載流子 的濃度和遷移率的變化；通過傳導電荷的測量，研究石墨烯摻雜有機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系，結合器件的電學性能及發(fā)光性能（亮度、效率）的測量，研究能級匹配與電學、發(fā)光性能之間的規(guī)律?；谑┐笠?guī)模制備技術，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 極材料的電化學反應性能；以石墨烯為電極材料，集成并構建超級電容器；結合微加工技術，對所獲得的大面積石墨烯進 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器件。 （ 2）利用過渡金屬碳化物為前驅(qū)物，高溫選擇性反應去除金屬原子制備石墨烯材料；選擇具有層狀結構的碳化物結構，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建超級電容器模型原件；利用電化學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、導電性等對超級電容器性能的影響。利用常溫、低溫探針臺、精密半導體參數(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 IV 及 CV 曲線，從而測試閾值電壓、開關比等一系列的電學特性，分析材料的輸運特性，研究器件尺寸對器件性能的影響。利用上述微加工技術制作石墨烯晶體管，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，晶體管的開關響應和載流子遷移率等將發(fā)生變化，研究響應的靈敏度和檢測對象的選擇性。 （ 5）研制石墨烯光電子器件。探索石墨烯作為光伏器件電子受體材料的構造與特性，設計研究基于石墨烯有機光伏器件激活層的微結構，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、功能和器件結構，進一步控制合成微觀結構有序、均一的復合體；再將具有一定方向性 的高遷移率的無機分子以規(guī)則排列的方式與導電聚合物制成薄膜，為載流子提供連續(xù)有效的傳輸途徑。 高集成密度石墨烯傳感器陣列應用于高空間分辨率的細胞電生理檢測。通過檢測信號之間的關聯(lián)性，研究同一細胞的不同位置及不同細胞間電生理信號的關聯(lián)，為理解神經(jīng)元網(wǎng)絡的信號傳導機制提供新方法。 發(fā)展和完善研究石墨烯的理論與計算方法，對實驗體系進行模擬與分 析。發(fā)展和完善石墨烯的電子結構計算方法和 (自旋 )輸運理論 , 定量描述石墨烯結構和物性之間的關系，解釋石墨烯的相關實驗結果，探索化學修飾的微觀機理，發(fā)現(xiàn)和研究石墨烯光電響應機制，調(diào)制石墨烯的電子結構和磁學性能的機制，為我國石墨烯的實驗和應用研究提供一些有意義的理論依據(jù)和指導。 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)實意義和長遠的戰(zhàn)略意義。而我國在這一國際前沿研究領域還剛剛起步。同時可繼續(xù)保持和加強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。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，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 ， 在金屬基底上制備石墨烯等新方法， 化學合成 石墨烯 等， 力爭在制備方法上取得 12 項的重大突破。基于高質(zhì)量石墨烯其物性調(diào)控的認識，開展新型物理化學器件的研究，也是本項目的一大特色。將重點圍繞高質(zhì)量石墨烯材料這一主線，開展石墨烯精細結構和基本物性探測，探索結構與物性的關聯(lián)，研發(fā)石墨烯器件構建等相關基礎問題。 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問題。它已經(jīng)成為國際學術界關注的熱點之一，成為各國競相爭取的又一科技制高點。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、低成本制備新技術；如何精確表征石墨烯的原子結構、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遇。 （ 2）技術方案與現(xiàn)有研究基礎和研究條件很好地匹配。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和研究條件，制定了多種可行的技術方案。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(zhì)和器件開發(fā)等相關基礎問題的研究。 （ 3）研究團隊實力雄厚。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。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(jīng)歷， 為本項目取得重大突破提供了人員力量的保證。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。 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。 (1) 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(nèi)容將所有承擔該項目的研究人員緊密結合在一起； (3) 強調(diào)研究的突破點、原創(chuàng)性和系統(tǒng)性的結合。 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 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(zhì)量石墨烯的可控制備 研究目標： 發(fā)展完善高質(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 ， 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(zhì)量石墨烯或新型石墨烯材料。 為基于石墨烯新一代電子元器件的探 索提供高質(zhì)量的材料，奠定強有力的實驗基礎。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(shù)等因素的關系，總結、歸納出可控制備大面積、高質(zhì)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。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(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。 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。掌握石墨烯基體系的生長及自組裝結構的調(diào)控技術。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，為特定幾何構型的高質(zhì)量石墨烯的形成和性能的研究提供模型分子。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。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。 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。掌握石墨烯的自旋電子和磁學性能之間的關系。發(fā)現(xiàn) 石墨 烯 的 一兩種 奇異性質(zhì)。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。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(lián)及奇異物性，研究石墨烯模板對分子自組裝結構的調(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。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。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。獲得石墨烯基精確可控的亞微米結構刻蝕工藝技術，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。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(diào)變作用，探索燃料電池中電催化反應機理。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。 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。根據(jù)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。研究石墨烯作為光電子器件電子受 體材料的構造與特性；設計研究基于石墨烯有機光伏器件激活層的微結構，通過不同方法改進基于石墨烯有機光伏器件激活層的微觀結構及其性能。 經(jīng)費比例： ~25％ 承擔單位： 中國科學院大連化物所，北京交通大學 ， 中國科學院物理研究所 課題負責人： 傅強 學術骨干： 孫科舉，黃世華 , 王文軍 , 楊昌黎 四、年度計劃 研究內(nèi)容 預期目標 第 一