新型石墨烯纳米带的精确制备及其光电器件研究

Graphene nanoribbons (GNRs), quasi-one-dimensional graphene strips, exhibit novel physical properties such as semiconducting behavior with large bandgap distribution, broadband absorption from UV to infrared light, spin-polarized edge states, due to the intense quantum confinement and edge effects. GNRs have demonstrated great potential for device applications in future. However, the design and control on the precise structures of GNRs is still a critical problem in GNR research. Moreover, the large-area synthesis of GNRs with high quality is still a great challenge for large-scale device applications of GNRs. In this project, we propose to control the structures of GNRs precisely by design of different molecular as the precursors in chemical vapor deposition (CVD) growth of GNRs. By optimizing the CVD condition, we aim for inexpensive and high-throughput growth of structurally defined GNRs over large areas. The relationship between the intrinsic properties of GNRs and their structures will be revealed by ultrafast optical pump-THz probe spectroscopy and Raman spectroscopy. With the availability of such high quality and large area GNRs, we will fabricate field effect transistors based on GNRs and explore their broad applications for photodetectors and gas sensors.

石墨烯纳米带是石墨烯的准一维形态，具有很强的量子限域和边界效应, 赋予其全新的物性与性能，如宽带隙分布的半导体特性、从紫外到近红外的宽频段吸收、以及特定边界的量子自旋极化效应等，因而具备很高的基础研究价值和实际应用前景。然而，石墨烯纳米带结构的精确调控及新型结构的设计开发仍然是该研究领域亟待解决的核心难题。此外，高质量大面积石墨烯纳米带的宏量制备及其器件研究尚未取得重大突破，是推动石墨烯纳米带获得广泛应用的重要挑战。本项目基于自下而上的化学分子结构设计，采用化学气相沉积（CVD）法制备具有精确结构的新型石墨烯纳米带，并通过CVD反应调控实现大面积高质量石墨烯纳米带的低成本制备。之后，结合拉曼光谱、超快太赫兹光谱等多种表征方法揭示石墨烯纳米带本征物性与其结构之间的内在联系和规律。进一步基于大面积高质量石墨烯纳米带构建高性能场效应晶体管并拓展其在光电探测及气体传感等领域的应用。

石墨烯纳米带是石墨烯的准一维形态，具有很强的量子限域和边界效应, 赋予其全新的物性与性能，因而具备很高的基础研究价值和实际应用前景。本研究项目在基金支持下取得以下主要成果：.1.通过采用专门设计合成的有机小分子作为前驱体，成功制备出具有氧硼氧掺杂的手性石墨烯纳米带（OBO41-GNRs），作为一种带隙为1.9 eV的宽禁带半导体材料在纳电子器件上具有很好的应用潜力。研究表明这种纳米带形成正交交叉的二维自组装排列，这种规则排列对纳米带的器件研究有着重大的潜在意义，可用于构建高性能场效应晶体管并拓展其在光电探测及气体传感等领域的应用。此外，基于石墨烯纳米带，成功制备COFs/石墨烯异质结构，表明石墨烯的表面可以促进COFs的结晶化。.2.制备的5-AGNR纳米带具有最低的带隙0.8 eV，同时也拥有最高的光电导性及载流子迁移率，超过5000 cm2V-1s-1。将纳米带样品应用于微型超级电容器，表现出出色的体积电容（307 F cm-3），以及超高的充放电速度和功率密度（可达2000 W cm-3），优于大多数基于石墨烯和其他相关纳米材料的器件性能。这种基于石墨烯纳米带的微型超级电容器为未来柔性可穿戴电子器件的应用提供了高功率的能源供给方案。.3. 基于石墨烯纳米带的研究经验，从前驱体分子结构的自下而上设计出发，发明了双金属共催化高效合成石墨炔新方法，首次实现超薄石墨炔材料的宏量制备。可用作高性能的电化学氧还原催化材料应用在锌空电池等领域，其氧还原半波电位达0.9 V，功率密度达118 mW cm-2，性能表现远优于商业化铂碳催化剂。