石墨烯和石墨炔的电子态、自旋调控和器件设计

Graphene has great application potential. For its practical applications, it is of importance to realize the electronic and spin properties modulations of graphene, as well as the corresponding device design. Graphyne is a new form of carbon allotrope, which exhibits semiconductor properties with a nonzero bandgap, and has promising applications in nanoelectronics. Recently, one of the members in the graphyne family, graphdiyne, has been successfully prepared, whereas there are only a few researches focused on the basic properties of graphyne up to now. This proposal seeks to investigate the electronic and spin properties modulations of graphene and graphyne based nanostructures from first-principles calculations, and to understand the modulation mechanisms in view of electronic structures. Through transport property calculations of these materials, we also plan to design functionalized nanodevices such as spin filter, rectifier and field effect transistor. Furthermore, on the basis of theoretical calculations, graphene and graphyne based nanodevices will experimentally be fabricated. The objectives of this proposal are to provide new insight into the design of graphene and graphyne based nanodevices, and to promote their applications in nanoelectronics.

石墨烯具有极大的应用潜力，理解其电子态和自旋性质的调控以及相应器件的设计对于拓展石墨烯的应用是至关重要的。石墨炔是一类新型的碳同素异形体，并具有带隙的新型半导体材料，同样拥有广阔的应用前景。近期，石墨炔已在实验上成功制备，而对其基本性质的研究尚处于起步阶段。本项目将通过第一性原理计算开展石墨烯和石墨炔纳米材料的电子态及自旋性质调控的研究，从微观电子结构的角度来理解这些调控机制。并通过对输运性质的计算，设计功能化的石墨烯和石墨炔纳米材料器件，如自旋滤波器、整流管、场效应管等等。进一步，基于理论研究结果，制备石墨烯和石墨炔纳米器件。本项目的研究旨在为石墨烯和石墨炔纳米材料器件的设计提供新的思路，并推进其在纳电子领域的应用。

本项目开展了石墨烯/石墨炔和类石墨烯纳米材料的制备、电子态及输运性质调控的研究，理论结合实验，从微观电子结构的角度来理解这些调控机制，进一步设计功能化的石墨烯、类石墨烯纳米材料器件。项目的研究旨在解决石墨烯和类石墨烯纳米材料当前存在的基本物理问题、为器件的设计提供新的思路，推进其在纳电子领域的应用。经过四年的努力，实现了研究目标。主要工作如下：（1）通过还原氧化石墨烯制备出了石墨烯多层结构，研究了不同条件下氧化石墨烯的还原程度及氮掺杂石墨烯的结构和光学性质随氮含量的变化情况；采用 NbCl5、ZnMg 插层多层石墨烯、调控其电子态，分别得到了稳定的 p-、n-型插层的多层石墨烯，并通过第一原理计算从理论上对其进行了解释;计算了电子共振诱导的水分子在单壁碳纳米管中的输运过程；(2)研究了pyridine 插层类石墨烯二维薄膜材料GaSe、GaTe前后对材料电子态的调控情况;（3）研究了石墨炔（graphyne-3, -4 and -5）对水的纯化现象，获得了纯化效果好的石墨炔-3；（4）制备了类石墨烯二维MoS2薄膜及纳米花，研究了材料的光学性质，研究了FeCl3、Zn插层后薄膜材料电子态的变化情况及纳米花对罗丹明B的光降解效果，并研究了MoS2作为膜板对盐溶液的纯化效应；（5）首次获得了尺寸达厘米量级的单层WS2薄膜，结合第一原理计算揭示了WS2薄膜转移到目标衬底后电子态变化的本质原因；同时还（6）制备了WO3.0.5H2O微米管，研究了微米管的光催化特性；（7）制备了TiO2、ZnO基纳米结构太阳能电池，获得了优化的器件结构。.项目执行过程中共发表SCI论文20篇，申请专利7项，其中授权5项，培养研究生10名。首次制备的类石墨烯WS2单层薄膜尺寸达到厘米量级目，这对当前大尺寸二维薄膜材料的产业化应用制备具有重要的借鉴价值。同时本项目采用插层调节石墨烯的电子态，获得稳定的p-、n-型插层石墨烯，这一发现对推动了石墨烯的应用具有重要的指导意义。在对石墨烯、石墨炔的电子共振诱导的输运特性做了详细研究，获得最佳输运条件。