新型结构原子级精确的石墨烯纳米带制备及其能带特性表征

Despite graphene’s exciting properties, the lack of an electronic band gap severely limits its potential for applications in digital electronics. The first mission becomes to open a band gap in graphene materials. Narrow stripes of graphene – so called graphene nanoribbons (GNRs) –are semiconductors due to quantum confinement, with a band gap that can be tuned by the nanoribbon width and edge structure. In contrast, in all the methods of achieving a band gap in graphene, fabrication of GNRs is a relatively easy way to control. .In this project, one or two GNRs with atomically precise structure, high repeatability, stable performance and wide band gap, will be obtained via a bottom-up approach based on the surface-assisted assembly of molecular precursors. Ultra high vacuum low temperature (variable temperature) scanning tunneling microscopes (STM), Qplus atomically forced microscope, X-ray photoelectron spectroscopy and Raman spectroscopy will be applied to characterize the GNRs in morphologies, energy spectrum, band structure, band gap, growth mechanism, etc. Based on the research achievement, the experimental method will be improved, thus more atomically precise GNRs can be obtained which can bear more candidates and high potential for applications in photovoltaics and electronics. Furthermore, some basic quantum physical phenomena in low dimensional nanosystems can be understood.

石墨烯具有诸多优异性能，但是由于禁带宽度的缺失，限制了将其应用到半导体器件当中。获得石墨烯的禁带宽度是解决该问题的首要任务。石墨烯纳米条带由于量子限制效应，表现出半导体的性质，同时通过改变石墨烯纳米条带的宽度和边缘形貌，可以较容易的调控其禁带宽度和能带结构。相对而言，制备石墨烯纳米带是一种较为容易控制的方法。.本项目中，申请人将采用自下而上的方法控制有机分子的表面化学反应，制备一到两种新的结构原子级精确、重复性高、性能稳定、禁带宽度较大的石墨烯纳米带，并通过超高真空低温（变温）扫描隧道显微镜、Qplus模块的原子力显微镜功能、X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪等研究其形貌特性、能谱信息、能带结构、禁带宽度、生长机制等。一方面完善该实验方法，获得更多原子级精确的石墨烯纳米带结构，从而调控石墨烯纳米带性能，推动石墨烯在电子器件中的应用，另一方面认识低维纳米体系的一些基本量子物理现象。

石墨烯具有诸多优异性能，在导电、导热、强度等方面具有优越性，精准调控石墨烯及其复合材料的这些特性是将石墨烯应用到各个领域的关键学术问题。材料的结构往往决定其各种特性，因此如果能在原子尺度对石墨烯的结构进行精准调控，则可以精确地调控石墨烯的相关特性。.本项目中，申请人采用表面物理化学的方法制备低维纳米材料，并通过UHV-LT/VT-STM, nc-AFM，XPS，Raman等研究其形貌特性、电子结构特性、生长机制等。同时利用第一性原理计算，预言新型类石墨烯材料，并计算模拟实验结果。通过在原子尺度上的实验结合理论方法，从机理上认识石墨烯材料的各种特性，从而可利用CVD、化学等方法小批量制备石墨烯及其复合材料，为以后的产业转化及应用开发奠定基础。.在实验上，测试超过十种分子，研究了其在金属表面的自主装行为以及可控的表面物理化学反应，制备出多种未报导的结构原子级精确的石墨烯纳米带，获得其原子分辨图像及其电子结构信息，完成研究计划。另外还获得了石墨烯纳米带阵列、多孔石墨烯等结构，并对其特性进行了研究。基于在原子尺度对石墨烯物性的机理方面的理解，项目还从宏观上制备了性能优异的石墨烯及石墨烯复合材料，并对其特性进行了研究。.计算上，利用第一性原理计算了所获得的新型结构原子级精确的石墨烯纳米带的电子结构信息，以及一些反应机理，按照研究计划执行。此外还计算了几种类石墨烯新型二维材料的电磁特性，对项目研究内容进行了进一步拓展。.在国内外学术交流方面，项目执行期内，邀请超过十名国内外专家到昆明理工大学进行学术交流，举办两场全国学术研讨会议，项目负责人参加6次国际学术会议，超过10人次参与国内学术会议，多人在会议上做学术报告，完成研究计划。.截至目前，发表学术论文20篇，其中SCI论文16篇，EI论文4篇，授权实用新型专利7项，受理发明专利18项，超额完成预定目标。