比較好的石墨烯課題組1α~成會(huì)明~任文才課題組郭守武課題組劉忠范~彭海林課題組成永勝課題組方英課題組β~高鴻鈞課題組2***

高鴻鈞課題組

一.在國際上率先在釕單晶Ru（0001）制備出高質(zhì)量單晶石墨烯薄膜（Chin.Phys.2007,16,3151，Adv.Mater.21,2777,2009）。隨后該組以石墨烯的摩爾條紋為模板，制備了單分散Pt納米團(tuán)簇的(Appl.Phys.Lett.95,093106,2009)；Kagome分子陣列(J.Am.Chem.Soc.131，14136,2009)。同時(shí)他們通過改變不同的基底金屬單晶，成功調(diào)控外延石墨烯與金屬襯底的界面性質(zhì)(Appl.Phys.Lett.96,053109(2010))。CONTENTSCONTENTSCONTENTSCONTENTS3外延生長在金屬釕表面的單層石墨烯的掃描隧道顯微鏡（STM）圖像和電導(dǎo)曲線（STS）。(a)大面積的STM圖像(Ut=?2.0V,It=100pA)(b)高分辨的STM圖像(c)未占據(jù)態(tài)電導(dǎo)的色度。縱坐標(biāo)為隧穿電壓，橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)圖(b)中虛線所標(biāo)的位置。圖中顏色從藍(lán)到紅代表強(qiáng)度增加。圖(d)電導(dǎo)曲線dI/dV譜。橙色和黑色曲線分別對(duì)應(yīng)圖(c)中x等于-0.2nm和2.0nm的點(diǎn)。4CONTENTS2二.大面積高質(zhì)量的單晶石墨烯和Si插層（Appl.Phys.Lett.100,093101(2012)）

通過外延的方法，將半導(dǎo)體硅材料沉積到石墨烯的表面后，通過高溫處理可以將硅材料插入到石墨烯與金屬之間，形成石墨烯/半導(dǎo)體硅/金屬的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種方法避免了化學(xué)轉(zhuǎn)移的步驟，避免了轉(zhuǎn)移過程中引入缺陷和雜質(zhì)，從而保證石墨烯的質(zhì)量。由于采用了插層技術(shù)，使得石墨烯下面的硅基底具有原子級(jí)平整，并且不存在電荷雜質(zhì)，避免了電荷雜質(zhì)對(duì)于載流子輸運(yùn)過程中的長程散射，可以提高載流子的遷移率。與解理的石墨烯相比，金屬釕單晶表面獲得的石墨烯具有原子級(jí)平整，可以避免由于結(jié)構(gòu)上的起伏而引入的雜散磁場(chǎng)的產(chǎn)生，使石墨烯更接近本征的狀態(tài)。之后他們利用Raman等手段表征了獲得石墨烯，證明了石墨烯的質(zhì)量。52Graphene-Si-Ru插層示意圖CONTENTSCONTENTSCONTENTSCONTENTS6三.石墨烯做為緩沖層對(duì)功能分子本征電子結(jié)構(gòu)的研究（Appl.Phys.Lett.99,153101(2011)）四.石墨烯與基底之間的插層研究Appl.Phys.Lett.99,163107(2011)五.成功制備毫米級(jí)高度有序的、連續(xù)的、單晶的Graphene(Chin.Phys.16,3151,2007)(Adv.Mater.21,2777,2009)highlightbyNatureChina六.石墨烯摩爾條紋模板上形成的Kagome分子陣列(J.Am.Chem.Soc.131(40),14136–14137,2009)highlightbyNatureChina71圖為釕表面外延生長的石墨烯表面的吸附分鐘的分子軌道STM圖像

CONTENTSCONTENTSCONTENTSCONTENTS8CONTENTS4成功制備毫米級(jí)高度有序的、連續(xù)的、單晶的Graphene(Chin.Phys.16,3151,2007)(Adv.Mater.21,2777,2009)highlightbyNatureChina低能電子衍射（LEED）掃描隧道顯微鏡B.F高分辨的圖C.D.E9固定成員杜世萱博士郭海明博士高鴻鈞院士肖文德博士王業(yè)亮博士申承民博士10

*****成會(huì)明課題組

在《2008科學(xué)發(fā)展報(bào)告》上發(fā)表題為石墨烯-碳家族中又一性質(zhì)獨(dú)特的材料開始，一直領(lǐng)跑中國石墨烯制備界。CONTENTSCONTENTSCONTENTSCONTENTS一。提出了表征石墨烯結(jié)構(gòu)的新方法。

石墨烯表征方法的建立是對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速有效表征、控制制備及應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。他們?cè)诜瓷渎视?jì)算的基礎(chǔ)上，引入色度學(xué)空間概念，提出了快速、準(zhǔn)確、無損表征石墨烯層數(shù)的總色差方法，解釋了只有在特定基底上石墨烯可見的原因，并利用該方法對(duì)基底和光源進(jìn)行了優(yōu)化，提出并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了更利于石墨烯光學(xué)表征的基底和光源，提高了光學(xué)表征的精度，為石墨烯層數(shù)的快速準(zhǔn)確表征、控制制備及物性研究奠定了基礎(chǔ)。該論文發(fā)表在AcsNano2(2008)1625-1633

該論文被美國化學(xué)會(huì)的ACSNano雜志選為該期“亮點(diǎn)”進(jìn)行了重點(diǎn)介紹；同時(shí)也被《自然—中國》選為來自中國大陸和香港的突出科研成果，《自然—中國》化學(xué)領(lǐng)域的評(píng)論員VickiCleave博士撰文寫道：“來自中國科學(xué)院的任文才、成會(huì)明及其合作者提出了一種快速、無損、可進(jìn)行大面積石墨烯表征的光學(xué)方法，該工作有助于確定和制備適于應(yīng)用的理想石墨烯樣品。”11二。可控制備出高質(zhì)量石墨烯。

根據(jù)層數(shù)不同，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化，因此實(shí)現(xiàn)石墨烯層數(shù)的可控制備十分關(guān)鍵。與微機(jī)械剝離和外延生長方法相比，化學(xué)剝離是一種有望實(shí)現(xiàn)石墨烯低成本宏量制備的有效方法，但所制備的石墨烯大多為單層、雙層和多層石墨烯的混合物。基于對(duì)化學(xué)剝離方法制備石墨烯過程的分析，他們提出了利用石墨原料的尺寸與結(jié)晶度不同來控制石墨烯層數(shù)的策略，宏量控制制備出單層、雙層和三層占優(yōu)的高質(zhì)量石墨烯(該論文發(fā)表在《Carbon》47（2009）493上），被審稿人認(rèn)為是“石墨烯研究和應(yīng)用的重大進(jìn)展”。

為了進(jìn)一步提高化學(xué)剝離方法制備的石墨烯的質(zhì)量，他們根據(jù)氫電弧放電反應(yīng)溫度高、可實(shí)現(xiàn)快速加熱及原位還原的特點(diǎn)，采用電弧加熱膨脹解理石墨以去除含氧官能團(tuán)和愈合結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而提高了石墨烯的質(zhì)量。較普通快速加熱方法，采用氫電弧方法制備的石墨烯的抗氧化溫度提高了近100℃，導(dǎo)電率提高了近2個(gè)數(shù)量級(jí),該論文被發(fā)表在(AcsNano3(2009)411-417)12三。在石墨烯的應(yīng)用方面，該實(shí)驗(yàn)室有研究人員在石墨烯宏量制備的基礎(chǔ)上，開展了石墨烯在場(chǎng)發(fā)射體、超級(jí)電容器、鋰離子電池和透明導(dǎo)電膜等方面的應(yīng)用探索。

為了充分發(fā)揮石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)，他們發(fā)展了電泳沉積方法制備出表面均勻致密且含有豐富邊界突起的單層石墨烯薄膜，實(shí)現(xiàn)了薄膜與基體間的良好接觸。研究表明，石墨烯薄膜具有與碳納米管薄膜相比擬的場(chǎng)發(fā)射特性：低的開啟電場(chǎng)和閾值、良好的場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性，展示了石墨烯在平板顯示等方面的應(yīng)用前景。該論文發(fā)在Advancedmaterials上，審稿者認(rèn)為（作者實(shí)驗(yàn)證實(shí)了石墨烯單原子厚度的邊界可有效增強(qiáng)電場(chǎng)，降低場(chǎng)發(fā)射開啟電場(chǎng)，是一項(xiàng)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。134.2011年課題組提出石墨烯CVD生長新思路，石墨烯三維體材料宏量制備取得重要突破

用兼具平面和曲面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的泡沫金屬作為生長基體，利用CVD方法制備出具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泡沫狀石墨烯體材料。研究發(fā)現(xiàn)，這種石墨烯體材料完整地復(fù)制了泡沫金屬的結(jié)構(gòu)，石墨烯以無縫連接的方式構(gòu)成一個(gè)全連通的整體，具有優(yōu)異的電荷傳導(dǎo)能力、850立方米/克的比表面積、99.7％的孔隙率和5毫克/立方厘米的極低密度。并且，這種方法可控性好，易于放大，通過改變工藝條件可以調(diào)控石墨烯的平均層數(shù)、石墨烯網(wǎng)絡(luò)的比表面積、密度和導(dǎo)電性。采用基體卷曲的方法，研究人員可制備出170×220平方毫米及更大面積的石墨烯泡沫材料。基于石墨烯泡沫獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，課題組采用原位聚合的方法制備出石墨烯泡沫/硅橡膠復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在石墨烯添加量重量百分比僅為0.5的條件下，復(fù)合材料的電導(dǎo)率可達(dá)10秒/厘米，比基于化學(xué)氧化剝離法制備的相同添加量的石墨烯復(fù)合材料的電導(dǎo)率，提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)，也高于基于高質(zhì)量碳納米管的復(fù)合材料的電導(dǎo)率。而且，這種復(fù)合材料具有很好的柔韌性和穩(wěn)定性，在彎折和拉伸等條件下僅有很小的電阻變化（如50％拉伸應(yīng)變條件下的電阻變化<30％），在應(yīng)力釋放后可迅速恢復(fù)其原有形貌和電阻值，因此是一種理想的彈性導(dǎo)體材料，在柔性顯示器、可穿戴式移動(dòng)通訊設(shè)備和人造皮膚等柔性電子方面具有廣闊的應(yīng)用前景。研究團(tuán)隊(duì)提出的以多孔金屬作為生長基體是石墨烯CVD生長的一條新思路，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的大量制備，也為具有特定結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的石墨烯三維體材料的制備提供了一個(gè)基本策略。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和中科院的支援1415石墨烯的層數(shù)可控制備16單層石墨烯的場(chǎng)發(fā)射性能石墨烯的總色差表示法四。Pt作基底CVD法制備石墨烯，鼓泡法無損轉(zhuǎn)移成會(huì)明等采用貴金屬鉑生長基體，以低濃度甲烷和高濃度氫氣通過常壓CVD法，成功制備出了毫米級(jí)六邊形單晶石墨烯及其構(gòu)成的石墨烯薄膜。通過該研究組發(fā)明的電化學(xué)氣體插層鼓泡法，可將鉑上生長的石墨烯薄膜無損轉(zhuǎn)移到任意基體上。該方法操作簡便、速度快、無污染，并且適于釕、銥等貴金屬以及銅、鎳等常用金屬上生長的石墨烯的轉(zhuǎn)移，金屬基體可重復(fù)使用，可作為一種低成本、快速轉(zhuǎn)移高質(zhì)量石墨烯的普適方法。該方法轉(zhuǎn)移的單晶石墨烯具有很高的質(zhì)量，將其轉(zhuǎn)移到Si/SiO2基體上制成場(chǎng)效應(yīng)晶體管，測(cè)量顯示該單晶石墨烯室溫下的載流子遷移率可達(dá)7100cm2V-1s-1。金屬基體上大尺寸單晶石墨烯及其薄膜的多次重復(fù)生長，為石墨烯基本物性的研究及其在高性能納電子器件、透明導(dǎo)電薄膜等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用奠定了材料基礎(chǔ)19Figure2|Coalescenceofgraphenegrains.Scanningelectronmicroscope(SEM)imageofthecoalescenceofdifferentgraphenegrains:(a)two;(b)three;(c)many;(d)continuousgraphenefilmformedfromgrains.ThegraphenefilmcompletelycoversthePtsubstrateswithoutanygaps.(e)Opticalimageoftwocoalescedgraphenegrains.(f)RamanmappingoftheintensityofDband(1,300–1,400cm?1)atthejointareaofthetwocoalescedgrainsindicatedbyaredboxin(e).Thestrongintensitiesalongthelineinthemappingindicateagrainboundary.Thescalebarsin(a–d)are400

μm,in(e)50

μm,andin(f)20

μm.20Figure3|IllustrationofthebubblingtransferprocessofgraphenefromaPtsubstrate.(a)APtfoilwithgrowngraphenecoveredbyaPMMAlayer.(b)ThePMMA/graphene/Ptin(a)wasusedasacathode,andaPtfoilwasusedasananode.(c)ThePMMA/graphenewasgraduallyseparatedfromthe