永利集团纳米化学研究中心是一个跨院系的新型交叉学科研究机构，其主要成员来自77779193永利集团、工学院以及前沿交叉学科研究院。刘忠范院士为中心创始主任。为了庆祝纳米化学研究中心成立20周年，Small杂志于2013年4月出版了低维碳材料专刊。中心主任刘忠范院士，美国科学院、工程院及艺术科学院三院院士麻省理工学院Mildred S. Dresselhaus教授和中心的张锦教授共同为专刊撰写了前言，主要介绍了20年来永利集团纳米化学研究中心在低维碳材料方面的研究工作，包括碳纳米管的化学自组装、碳纳米管和石墨烯的CVD控制生长方法学、石墨烯的光化学工程、sp²碳材料的拉曼光谱、分子/纳电子器件及生物传感等。本专刊共收集26篇学术论文，作者主要来自于永利集团纳米化学研究中心的现职人员和已经从中心走出去的毕业生，以及在低维碳材料领域非常活跃的国内外同行。

图一、低维碳材料专刊封面

 

专刊中有10篇论文是由永利集团纳米化学研究中心的现职人员撰写，集中介绍了纳米化学研究中心在低维碳材料研究中取得的系列进展。

• (Small, 8, 1316-1320)。同时，利用Rh(111)单晶在超高真空系统生长石墨烯，详细研究了石墨烯的生长机理（Small, 8, 1360-1366）。此外，采用第一性原理计算和波尔兹曼输运方程系统研究了石墨烯-氮化硼杂化体系的本征迁移率 (Small, 8, 1373-1378)。

 

图二、金属基底上石墨烯的控制生长及原子尺度的表征示意图

 

通过化学反应对石墨烯进行共价修饰，是一种简便并可规模化的实现对石墨烯能带调制的有效手段。中心研究团队提出了“光化学能带工程”的概念，建立了石墨烯的光催化剪纸技术、光氯化加成和光致甲基化等新方法，利用光化学诱发的活性自由基实现了碳-碳键的修饰、剪裁和能带调控。此外利用石墨烯的光氯化与苯基加成等反应，结合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的辅助转移技术，实现了单层石墨烯上下表面的非对称共价修饰，首次成功制备了迄今为止最薄的二维非对称结构— Janus石墨烯（Small, 8, 1134-1143; Small, 8, 1348-1352; Small, 8, 1388-1396）。

图三、石墨烯光氯化加成中的尺寸维度效应示意图

• Small, 8, 1206-1224）。

 

碳纳米管有金属性和半导体性、以及手性之别。如何实现碳纳米管单一导电属性的控制制备是其应用的关键，也是实现碳纳米管在电子及光电器件中应用的前提和基础。中心研究团队根据不同碳纳米管反应性和吸附性能的差异，建立了选择分离和转化的方法：一是在生长的石英基底上，利用SDS与金属性碳纳米管的相互作用，利用超生辅助法去除金属性碳纳米管（Small, 8, 1306-1311）；二是利用光催化辅助技术实现了金属性碳纳米管向半导体性碳管的转化以及碳纳米管的剪裁与图案化（Small, 8, 1336-1341）。

图四、金属性/半导体性单壁碳纳米管阵列的洗涤分离法示意图

 

在半导体器件领域，异质界面的修饰及器件性能的调控对提高器件的性能和构建新的功能发挥重要作用。通过表界面修饰可以对石墨烯的能带结构及其相应的光电特性进行调控，有利于实现其在未来的半导体器件领域中的应用。中心研究团队在界面调控的思想指导下，利用单分子自组装膜作为半导体层，石墨烯或碳纳米管等碳材料作为电极制备出了具有高迁移率的有机场效应晶体管。撰文系统阐述了异质界面的修饰对器件性能调控的影响（Small, 8, 1144-1159）。

图五、异质界面的修饰及器件性能的调控示意图（专刊内封面）

 

 该系列研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委和教育部基金的资助。

 

                                         供稿：谢芹