beat365納米化學研究中心是一個跨院系的新型交叉學科研究機構，其主要成員來自化學學院、工學院以及前沿交叉學科研究院。劉忠範院士為中心創始主任。為了慶祝納米化學研究中心成立20周年，Small雜志于2013年4月出版了低維碳材料專刊。中心主任劉忠範院士，美國科學院、工程院及藝術科學院三院院士麻省理工學院Mildred S. Dresselhaus教授和中心的張錦教授共同為專刊撰寫了前言，主要介紹了20年來beat365納米化學研究中心在低維碳材料方面的研究工作，包括碳納米管的化學自組裝、碳納米管和石墨烯的CVD控制生長方法學、石墨烯的光化學工程、sp²碳材料的拉曼光譜、分子/納電子器件及生物傳感等。本專刊共收集26篇學術論文，作者主要來自于beat365納米化學研究中心的現職人員和已經從中心走出去的畢業生，以及在低維碳材料領域非常活躍的國内外同行。

圖一、低維碳材料專刊封面

 

專刊中有10篇論文是由beat365納米化學研究中心的現職人員撰寫，集中介紹了納米化學研究中心在低維碳材料研究中取得的系列進展。

• (Small, 8, 1316-1320)。同時，利用Rh(111)單晶在超高真空系統生長石墨烯，詳細研究了石墨烯的生長機理（Small, 8, 1360-1366）。此外，采用第一性原理計算和波爾茲曼輸運方程系統研究了石墨烯-氮化硼雜化體系的本征遷移率 (Small, 8, 1373-1378)。

 

圖二、金屬基底上石墨烯的控制生長及原子尺度的表征示意圖

 

通過化學反應對石墨烯進行共價修飾，是一種簡便并可規模化的實現對石墨烯能帶調制的有效手段。中心研究團隊提出了“光化學能帶工程”的概念，建立了石墨烯的光催化剪紙技術、光氯化加成和光緻甲基化等新方法，利用光化學誘發的活性自由基實現了碳-碳鍵的修飾、剪裁和能帶調控。此外利用石墨烯的光氯化與苯基加成等反應，結合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的輔助轉移技術，實現了單層石墨烯上下表面的非對稱共價修飾，首次成功制備了迄今為止最薄的二維非對稱結構— Janus石墨烯（Small, 8, 1134-1143; Small, 8, 1348-1352; Small, 8, 1388-1396）。

圖三、石墨烯光氯化加成中的尺寸維度效應示意圖

• Small, 8, 1206-1224）。

 

碳納米管有金屬性和半導體性、以及手性之别。如何實現碳納米管單一導電屬性的控制制備是其應用的關鍵，也是實現碳納米管在電子及光電器件中應用的前提和基礎。中心研究團隊根據不同碳納米管反應性和吸附性能的差異，建立了選擇分離和轉化的方法：一是在生長的石英基底上，利用SDS與金屬性碳納米管的相互作用，利用超生輔助法去除金屬性碳納米管（Small, 8, 1306-1311）；二是利用光催化輔助技術實現了金屬性碳納米管向半導體性碳管的轉化以及碳納米管的剪裁與圖案化（Small, 8, 1336-1341）。

圖四、金屬性/半導體性單壁碳納米管陣列的洗滌分離法示意圖

 

在半導體器件領域，異質界面的修飾及器件性能的調控對提高器件的性能和構建新的功能發揮重要作用。通過表界面修飾可以對石墨烯的能帶結構及其相應的光電特性進行調控，有利于實現其在未來的半導體器件領域中的應用。中心研究團隊在界面調控的思想指導下，利用單分子自組裝膜作為半導體層，石墨烯或碳納米管等碳材料作為電極制備出了具有高遷移率的有機場效應晶體管。撰文系統闡述了異質界面的修飾對器件性能調控的影響（Small, 8, 1144-1159）。

圖五、異質界面的修飾及器件性能的調控示意圖（專刊内封面）

 

 該系列研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委和教育部基金的資助。

 

                                         供稿：謝芹