氧化石墨烯纳米带杂化粒子和石墨烯纳米带的研究进展

氧化石墨烯纳米带杂化粒子是将氧化石墨烯纳米带(GONRs)与其他纳米粒子经π-π键、氢键等结合方式复合在一起,通过这种特殊的结合形态一方面可以有效地防止GONRs的聚积,另一方面新的纳米粒子的引入能够赋予该杂化材料某些特殊的性能,从而有利于充分发挥GONRs杂化材料在聚合物改性等领域的综合性能。本文综述了氧化石墨烯纳米带杂化粒子的制备方法、性能和应用现状。此外,针对GONRs的还原产物石墨烯纳米带(GNRs)的结构、性能、制备方法及其应用领域也进行了系统性地论述。相关研究表明,氧化石墨烯纳米带杂化粒子的设计与制备是氧化石墨烯纳米带迈向实用领域的一个有效途径,而石墨烯纳米作为石墨烯的一种特殊结构的二维变体,继承了石墨烯优良的导电和导热等性能,同时特殊的边缘效应,因而呈现出了更广阔的应用潜力。     

石墨烯纳米带的研究进展

自2010年石墨烯的发现者获得诺贝尔物理奖以来,石墨烯纳米带以其更好的理化性质成为了世界各国学者的研究热点。本文首先介绍了石墨烯纳米带的制备方法:切割碳纳米管法(电极切割碳纳米管法、混酸切割碳纳米管法、钾气裂解碳纳米管法、等离子体刻蚀碳纳米管法)、刻蚀石墨烯法(等离子体刻蚀石墨烯法、半月板掩模光刻石墨烯法、二维胶体晶体刻蚀石墨烯法)、膨胀石墨带减薄法、有机合成法、化学气相沉积法;然后介绍了石墨烯纳米带在电学领域的应用,还简要介绍了其在力学、热学等领域的应用;最后展望了石墨烯纳米带的发展前景。     

SW缺陷石墨烯铝原子吸附能的第一性原理研究

基于密度泛函理论（DFT）和广义梯度近似（GGA）,对SW（Stone--Wales）陷石墨烯的结构和吸附能进行了研究,计算了石墨烯吸附Al原子前后的能带结构,态密度和吸附能,计算结果表明,掺杂SW缺陷有利于石墨烯和具有自由电子的金属原子的吸附结合,与未掺杂时对比,掺杂SW缺陷可显著提高石墨烯片的吸附能。     

Mg掺杂锐钛矿相TiO_2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同浓度Mg掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学特性进行理论计算。结果表明,随着Mg掺杂浓度的增大,锐钛矿相TiO2的晶格膨胀程度越大,带隙宽度增大并且吸收边蓝移;不同掺杂浓度下Mg的3s和2p轨道对锐钛矿相TiO2的价带和导带组成贡献较小;在波长约为200⁵95、595595、595⁸00 nm的光区内,Mg掺杂锐钛矿相TiO2的光吸收能力分别减弱和增强。     

锰掺杂锯齿型石墨烯纳米带电磁学特性研究

基于密度泛函理论的第一性原理,计算了锰原子单空位掺杂锯齿型石墨烯纳米带6种不同位置时的电磁学特性。结果表明:锰原子掺杂石墨烯纳米带的能带结构对掺杂位置十分敏感。随着锰掺杂位置的变化,掺杂石墨烯纳米带分别表现出半导体性和金属性特征。锰原子掺杂石墨烯纳米带改变了原本的磁性特征,掺杂位置不同,结构磁性特点也不相同,掺杂位置在4号位置时,纳米带实现了由反铁磁态的锯齿型石墨烯纳米带向铁磁性的转化。锰原子掺杂锯齿型石墨烯纳米带可以调制其磁性和能带特性,为石墨烯纳米带在电磁学领域应用提供一定的理论依据。     

锰掺杂锯齿型石墨烯纳米带电磁学特性研究

基于密度泛函理论的第一性原理,计算了锰原子单空位掺杂锯齿型石墨烯纳米带6种不同位置时的电磁学特性。结果表明:锰原子掺杂石墨烯纳米带的能带结构对掺杂位置十分敏感。随着锰掺杂位置的变化,掺杂石墨烯纳米带分别表现出半导体性和金属性特征。锰原子掺杂石墨烯纳米带改变了原本的磁性特征,掺杂位置不同,结构磁性特点也不相同,掺杂位置在4号位置时,纳米带实现了由反铁磁态的锯齿型石墨烯纳米带向铁磁性的转化。锰原子掺杂锯齿型石墨烯纳米带可以调制其磁性和能带特性,为石墨烯纳米带在电磁学领域应用提供一定的理论依据。     

补偿型共掺杂ZnS电子特性的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,对ZnS(Cu,Cl、Br、I)共掺杂体系的晶格结构和电子性质进行了研究。结果表明,相对于单掺杂ZnS体系,补偿型的共掺ZnS体系形成能更低,更有利于提高可见光的催化效率,且由于p-d电子排斥效应使价带向高能方向展宽,而Cu的3p态与非金属原子的杂质态使导带底下移,从而使共掺杂ZnS体系的能带带隙变窄,尤其是CuZnBrS-ZnS带隙值减少了30%,从而延伸吸收边界到可见光区域。且CuZnBrS-ZnS中m*e/m*h相对较大,降低了电子-空穴对重组率,提高了量子效率。最后对补偿型共掺ZnS电子结构进行了讨论。     

掺杂对锯齿形(Zigzag)石墨烯纳米带输运性质的影响

基于第一性原理计算,研究了掺杂对锯齿形石墨烯纳米带电子输运性质的影响。研究发现,掺杂原子种类、掺杂位置的不同将对电子输运产生极大的影响。当中间散射区域的中心C原子被B杂质原子代替时,在电子输运谱的费米能级以下会出现一个零透射的波谷,而另一侧则不变;当带中心杂质为N原子时情况正好相反。零透射波谷的出现意味着有带隙产生,即发生了从金属到半导体的转变。当杂质原子从中心位置移到带边缘时,波谷将移到费米能级的另一侧,从而引起从受主到施主特征的转变,这是杂质原子的束缚态与边缘态相互作用的结果。     

石墨烯能带结构调控的第一性原理研究

采用第一性原理方法,系统研究了单轴应变状态下纳米级孔洞和层数对石墨烯能带结构的影响,结果表明,其带隙不但与层数的奇偶性有关,而且对单轴应变的大小和孔洞存在与否非常敏感,这些均可归因于层间/层内结构的不对称性。     

B-N链对锯齿型石墨烯纳米带电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了边缘对称和反对称的锯齿型石墨烯纳米带的电子结构,考察了BN链掺在不同位置时的影响.研究结果表明:B-N原子链有向边缘迁移的现象,并且其掺杂在石墨烯纳米带中央时对体系电子结构的改变很小,而掺杂在边缘时会使体系在费米能级附近的能带结构发生显著的变化.边缘被B-N链取代的石墨烯纳米带的能隙被打开,并产生了明显的自旋非简并现象.这些现象的出现归因于掺杂体系中边缘电子态的重新分布.     

On‐Surface Synthesis of 8‐ and 10‐Armchair Graphene Nanoribbons

Armchair graphene nanoribbons (AGNRs) with 8 and 10 carbon atoms in width (8‐ and 10‐AGNRs) are synthesized on Au (111) surfaces via lateral fusion of nanoribbons that belong to different subfamilies. Poly‐para‐phenylene (3‐AGNR) chains are pre‐synthesized as ladder ribbons on Au (111). Subsequently, synthesized 5‐ and 7‐AGNRs can laterally fuse with 3‐AGNRs upon annealing at higher temperature, producing 8‐ and 10‐AGNRs, respectively. The synthetic process, and their geometric and electronic structures are characterized by scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS). STS investigations reveal the band gap of 10‐AGNR (2.0 ± 0.1 eV) and a large apparent band gap of 8‐AGNRs (2.3 ± 0.1 eV) on Au (111) surface.     

Modified Engineering of Graphene Nanoribbons Prepared via On-Surface Synthesis

1D graphene nanoribbons (GNRs) have a bright future in the fabrication of next-generation nanodevices because of their nontrivial electronic properties and tunable bandgaps. To promote the application of GNRs, preparation strategies of miscellaneous GNRs have to be developed. The GNRs prepared by top-down approaches are accompanied by uncontrolled edges and structures. In order to overcome the difficulties, bottom-up methods are widely used in the growth of various GNRs due to controllability of GNRs' features. Among those bottom-up methods, the on-surface synthesis is a promising approach to prepare GNRs with distinct widths, edge/backbone structures, and so forth. Therefore, modified engineering of the GNRs prepared via on-surface synthesis is of great significance in controllable preparation of GNRs and their potential applications. In the past decade, there have been a lot of reports on controllable preparation of GNRs using on-surface synthesis approach. Herein, the advances of GNRs grown via on-surface growth strategy are described. Several growth parameters, the latest advances in the modification of the GNR structure and width, the GNR doping/co-doping with heteroatoms, a variety of GNR heterojunctions, and the device application of GNRs are reviewed. Finally, the opportunities and challenges are discussed.     

DFT方法研究一氧化氮在铬掺杂石墨烯上的吸附行为

石墨烯具有较高的比表面积,其电导率会因吸附微量气体分子而发生显著变化,有望用作超高灵敏度的气体传感器。本研究基于密度泛函理论(DFT)的计算方法,探讨了NO在石墨烯和Cr掺杂石墨烯上的吸附行为,通过对比吸附前后的各自体系的电子结构变化,发现Cr掺杂石墨烯有助于增强对NO气体分子的吸附能力,吸附能增大到–1.58 eV,基底转移到吸附物的电荷数增大了一个数量级,达到0.143 e,显著提升了气体探测灵敏度。本研究为工业、环境和军事监测领域中开发新型NO气体传感器提供了新的设计思路。     

石墨烯的应用进展

石墨烯由于其独特的物理和化学性质,在各领域得到了广泛应用。文章阐述了石墨烯在能源通讯和医药等不同领域中的应用进展,并提出石墨烯在未来可能的应用方向,对功能化石墨烯的研究具有指导作用。