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化工與化學學院於淼課題組在石墨烯功能化研究方面取得重要進展

2020年10月26日 新聞網 瀏覽次數:33

哈工大報訊(化工/文) 近日,我校化工與化學學院於淼教授課題組在石墨烯功能化方面取得了重要進展。該工作為石墨烯光致精準功能化的首例,通過精細調控局域雜化模式打開石墨烯帶隙,首次在原子尺度實現了石墨烯的二維長程有序功能化,為石墨烯基二維材料在電子器件和光電器件應用方面的關鍵難題提供了有效解決方法。相關研究成果以“通過光致環加成反應長程有序原子級調控石墨烯雜化(Long-range ordered and atomic-scale control of graphene hybridization by photocycloaddition)”為題,於2020年10月19日在線發表於國際知名學術刊物《自然•化學》(Nature Chemistry)。於淼教授為論文第一作者(通訊作者),哈爾濱工業大學為第一單位,我校化工與化學學科首席學術顧問、哈爾濱-奧胡斯多尺度表界面國際研究中心(HAISI)榮譽主任弗萊明•貝森巴赫院士為共同通訊作者。

作為世界上首個真正意義上的二維材料,石墨烯不僅是最薄且最堅硬的二維材料,且具有優異的導電、導熱性、光學性質和穩定性,在航空航天、太陽能利用、透明觸摸屏、電子器件、傳感探測、生物醫療、可穿戴器件、高性能複合材料等領域廣泛應用。尤其是,石墨烯在室温下具有超高的電子遷移率,人們期待它可以取代傳統的硅基材料應用於微電子和超級計算領域。然而,石墨烯的零帶隙限制了其實際應用的可能性。儘管在過去的十幾年間,已有多種方法用於石墨烯功能化進而打開帶隙,如摻雜外來原子、修飾納米顆粒、製造納米結構石墨烯、表面吸附等,長程有序原子級精準調製石墨烯局域雜化仍舊是世界性難題。

該工作採用帶有馬來酰亞胺和雙羧酸基團的BCM分子,在單層石墨烯表面以分子間雙氫鍵形成滿覆蓋二維延展有序網絡,通過紫外輻照在超高真空條件下觸發分子網絡與石墨烯基面間的光致環加成反應(圖1)。掃描隧道顯微鏡、紅外吸收光譜、角分辨光電子譜、拉曼光譜和密度泛函計算結果表明,該反應包括[2+2]和[2+4]環加成,反應位點具有高度空間選擇性,排列成具有特定對稱性和週期性(2.65 nm)的二維長程有序排列(圖2),反應的發生和陣列的形成不依賴於石墨烯摩爾條紋。該光致反應可精確調製石墨烯局域雜化模式,改變石墨烯電子結構,有效引入帶隙(170 meV,圖3)。不同於前人採用的長時間浸泡、加熱、電脈衝和探針施壓等反應觸發方式,光致反應不僅為高吸熱反應提供了實用的解決方案,其簡便性、遠程可控性、與其他光相關技術(如光刻)的兼容性更利於在電子和光電器件方面的實際應用。

作為第一個石墨烯與分子網絡反應的範例,該工作解鎖了精確、長程有序調製石墨烯電子結構的高效途徑,對進一步發展光誘導表面合成反應有重要意義。同時,這種對局部雜化的精準調控以及功能化後石墨烯的長程有序性為發展基於石墨烯的尖端納電子和光電器件鋪平了道路。

圖1單層石墨烯與BCM分子間光致環加成反應示意圖

圖2分子網絡與石墨烯環加成反應後的掃描隧道顯微鏡圖和理論模型

圖3光致環加成反應對石墨烯的吸收振動和能帶結構的影響

研究工作得到了國家自然科學基金(21473045)和水資源國家重點實驗室自主課題(2018DX04)的資助。於淼教授課題組長期從事功能性碳基材料的設計和性能研究,先後在光致石墨烯精準功能化、表面合成類石墨烯二維單層高分子、碳基材料在海水淡化及能源電池應用等方面取得了突破性成果。相關成果發表在Nature Communications、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano Letters、Nano Energy等期刊。

論文鏈接://www.nature.com/articles/s41557-020-0540-2

編輯:梁英爽