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我国学者在石墨烯功能化研究方面取得新进展
2020年11月14日    作者: 伊晓东 高飞雪    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目(批准号:21473045,51772066,21603086,U1930402)等资助下,哈尔滨工业大学于淼教授等合作团队在石墨烯功能化研究方面取得重要进展。研究成果以“通过光致环加成反应长程有序原子级调控石墨烯杂化(Long-range ordered and atomic-scale control of graphene hybridization by photocycloaddition)”为题,于2020年10月19日在《自然-化学》(Nature Chemistry)杂志上在线发表,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41557-020-0540-2

石墨烯在室温下具有超高的电子迁移率,但石墨烯的零带隙性质限制了其在微电子和超级计算领域的实际应用。虽然已有多种方法,如掺杂外来原子、修饰纳米颗粒、制造纳米结构石墨烯、表面吸附等可以用于石墨烯功能化进而打开带隙,但是长程有序原子级精准调制石墨烯局域杂化仍旧是世界性难题。

研究人员采用特殊设计的双羧酸苯基马来酰亚胺前驱体,在单层石墨烯表面以分子间双氢键形成满覆盖二维延展有序网络,通过紫外辐照在超高真空条件下触发分子网络与石墨烯基面间的光致环加成反应。扫描隧道显微镜、红外吸收光谱、角分辨光电子谱、拉曼光谱和密度泛函计算结果表明,反应包括[2+2]和[2+4]环加成,反应位点具有高度空间选择性,形成具有特定对称性和周期性(2.65 nm)的二维长程有序排列,反应的发生和阵列的形成不依赖于石墨烯摩尔条纹。该光致反应可精确调制石墨烯局域杂化模式,改变石墨烯电子结构,有效引入带隙(170 meV)。该工作实现了石墨烯光致精准功能化,具有简便性、远程可控性以及与其他光相关技术兼容性的优点,为石墨烯基二维材料在电子器件和光电器件应用方面的关键难题提供了有效解决方法。

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图1. 二维分子网络与单层石墨烯光致环加成反应的扫描隧道显微镜图和结构模型

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