[发明专利]一种新型二维层状碳材料

说明书

技术领域

本发明属于材料学和物理学交叉领域，具体涉及了一种新型二维层状碳材料。

背景技术

碳是组成地球生命的最常见的一种元素。自然界存在金刚石和石墨两种常见的碳的同素异形体，分别由sp³和sp²杂化的碳原子组成周期性网络而构成。这两种碳的同素异形体均有独特的物理性质，如硬度、热导率、电导率、润滑性等。理论上，通过改变由sp³、sp²和sp杂化的碳原子组成的周期性网络的排列样式，可构建出众多碳的同素异形体结构。随着制备工艺的进步，理论设计具有优异物理性质的碳的同素异形体，在未来将有望被合成出来。如Kroto等人于1895年首次观察到富勒烯(C₆₀)(Kroto，et al.Nature，1985，318，162-163)，这一发现标志人工合成碳的同素异形体时代的开始。1991年，日本科学家Iijima发现了碳纳米管(CNTs)(Iijima.Nature，1991，354，56-58)。在这种一维纳米材料中，碳原子卷曲成管状。2004年科学家Novoselov和Geim等人采用物理剥离的方法又成功分离出石墨烯(graphene)，证实其可单独存在(Novoselov，Geim，.et al.Science，2004，306，666-669；Nature，2005，438，197-200)。未来合成新型碳的同素异形体的研究远没有到头。

石墨烯的结构可以看成是单层石墨片层，类似于金刚石，是一种亚稳态碳材料。石墨烯存在自身易被氧化且热力学不稳定等缺点。尽管如此，这种碳材料仍然是一种很有前景的材料。研究表明石墨烯属于零带隙半导体，电子从价带向导带跃迁不需要额外的能量。它的电阻率极低(约10^-6Ω·cm)，电子输运速度极快(常温下电子迁移率超过15000cm²/V·s)。理论计算显示石墨烯在费米面处的狄拉克点，打开很小的自旋轨道耦合能隙，这与实验观察相吻合。这一独特的电学性质使它有望发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管材料，以满足人类对材料的不同使用要求(如Ponomarenko，Geim，et al.Nature Physics，2011，7，958-961)。

实验表明，采用CVD等方法，生长大尺度的石墨烯是可行的(如Reina，Jia，et al.Nano Lett.，2009，9，30-35)。由于石墨烯的热力学不稳定性，原子在平面内往往会有起伏，实验难以合成完美的、原子周期排列的结构。实验观察到在生长出的石墨烯中不可避免的混有各种缺陷(如晶界、空位、位错或键变形等)。其中晶界是最常见的一类缺陷(如Tsen，Brown，et al.Science，2012，336，1143-11466；Yu，Jauregui，et al.Nat.Mater.，2011，10，443-449)。理论研究表明石墨烯中晶界结构可分为锯齿(zigzag)型和扶手椅(armchair)型两种类型(如Yazyev and Louie，Phys.Rev.B，2010，81，195420-4；Capasso，Carbon，2014，68，330-336)。石墨烯中碳原子均为sp²杂化成键并形成六元环排列的周期结构。但在晶界处，碳原子往往形成五元、七元或多元环排列结构。晶界的出现使石墨烯原来的周期排列的结构变得无序，改变了电荷在石墨烯中的分布，并引起其电学性能、输运特性的变化。

当石墨烯片层中存在原子空位，会形成其它数目的原子环。理论上，通过物理或化学手段对石墨烯改性，调整碳原子在石墨烯中的排列方式，进而改变其电学性能，有可能获得能带由半金属向半导体连续变化、带隙可调的材料，还能保留石墨烯材料的优点。未来可通过对单个碳原子进行操作，实现对石墨烯中原子排列方式的精确调控，来合成人们所需的新型二维层状碳材料。