石墨烯CVD生长机理和切割碳纳米管制备石墨烯纳米带的理论研究

制备高质量的石墨烯是石墨烯应用的前提。本项目采用第一性原理、经验和半经验方法，结合分子动力学和过渡态理论，深入研究二维石墨烯的催化CVD生长机理和切割碳纳米管制备一维石墨烯纳米带的物理化学机制。具体研究包括两个大的方面：i)通过对石墨烯CVD微观成核、生长过程的研究，建立石墨烯CVD生长的微观模型；通过对比不同金属的催化性能，提出高效催化剂的选择方法；通过对石墨烯在CVD生长过程中缺陷产生和修复机制的研究，获得生产高质量大面积单晶石墨烯的实验方法；ii)通过对切割碳纳米管制备石墨烯纳米带的物理化学机制和动力学过程的研究，建立切割碳纳米管制备石墨烯纳米带的原子模型和微观机制；探索切割过程中的关键参数，设计更为高效的石墨烯纳米带的制备方法。

以石墨烯为代表的低维材料在未来光电子器件及新能源中有着重要的应用前景，是当前国际研究热点。本项目围绕石墨烯CVD生长与纳米带可控制备等方面展开系统研究，取得了多项原创性成果。发表SCI论文37篇，包括Nat. Commun. 4篇、Angew. Chem. Int. Ed. 1 篇、ACS Nano 1篇、J. Phys. Chem. Lett. 5篇、Nanoscale 4篇、特邀综述2篇。项目主持人入选“Elsevier 2014年、2015年中国高被引学者名单”，并在重要会议上做特邀报告超过20次。主要进展如下：.1）石墨烯气相化学沉积(CVD)生长与缺陷修复机理。提出了通过Cu表面掺杂Ni的方法，可将石墨烯CVD的制备温度降低40-60%；阐明了金属台阶表面石墨烯CVD的成核动力学与缺陷修复机制；发展了一种第一性原理与分子力场相结合的多尺度方法来计算非均匀应变表面吸附能的分布，揭示了衬底位错和晶界对石墨烯成核生长的影响。阐明了通过氧插层方法实现CVD生长的石墨烯从金属衬底脱附的反应机理，确定了对应的反应路径和阈值步骤。这些研究为实验上在温和生长条件下制备高质量石墨烯提供了理论依据和理论指导。.2）过渡金属催化切割机理与可控化制备方法。提出了通过应力实现方向选择性切割石墨烯制备石墨烯纳米带阵列的方法，建立了金属颗粒与石墨烯作用的界面动力学模型与热力学相图，成功解释了纳米颗粒催化切割石墨烯具有方向选择性与催化剂依赖性这一困扰已久的科学难题，并预测了不同催化剂切割制备规则纳米带的相应条件，为实验上可控制备规则纳米带提供了理论指导。.3）石墨烯基二维分子晶体的结构确定与范德华生长机理。确定了二维有机分子晶体在石墨烯表面的微观结构，建立了分子间以及分子与基底的弱相互作用模型，并结合分子动力学模拟，成功揭示了分子间的范德华作用是分子能够形成有序结构的根本原因，而分子与基底间的范德华作用则主要决定两者的相对取向。这一生长机理可以推广到其他二维分子晶体的生长，为实验上制备高质量且高稳定性的有机薄膜提供了理论指导。.4）硫化钼缺陷诱导的输运机制与光电性能的提升。提出了缺陷局域态主导的电子跃迁输运机制，阐明了硫化钼低迁移率和本征n型掺杂的物理根源，提出了常温硫醇化学修复缺陷实现硫化钼本征电导以及通过缺陷工程与氧化成键实现硫化钼光电性能大幅提升的全新思路。