石墨烯/高分子复合薄膜的制备及应用

石墨烯是一种单原子厚度的二维碳纳米材料,具有优异的光、电、热和力学性能,以及巨大的比表面积.石墨烯与高分子之间能够通过共价或非共价作用(氢键、π-π作用、静电作用等)进行复合.这些相互作用既增加了石墨烯在高分子中的溶解性或分散性,也可以提高复合材料的性能或拓展其功能.目前常用的制备石墨烯高分子复合材料的方法有溶液混合、熔融共混和原位聚合等.该类复合材料可以通过蒸发溶剂、溶液涂覆、真空抽滤、层层自组装等途径加工成相应的复合膜.石墨烯高分子复合薄膜在制备高强度结构材料、超级电容器、光伏器件、锂离子电池负极材料以及传感器等方面具有重要的应用价值.本文综述了近年来石墨烯高分子复合薄膜的制备和应用方面的研究进展,并对该领域进行了展望.     

非“三明治”结构的分子基光电器件

传统的分子材料光电器件如太阳能电池和有机发光二极管通常采用"三明治"型垂直结构.器件通常由透明底电极、薄膜活性层和顶接触电极构成.该结构优化了光与半导体的相互作用以及载流子的注入和收集,实际应用广泛.近些年,为了降低透明电极的使用成本以及更好地实现非薄膜形态纳米半导体材料的器件构筑,一些非"三明治"结构的有机光电器件也取得了很大进展:发展出了具有微米、纳米电极结构的光伏器件、光电导器件、光晶体管器件、纳米间隙电极器件等,拓展了分子基光电材料的应用研究,与传统夹心型二极管器件相互补充、相互完善.本文主要聚焦在各种非"三明治"结构有机光电器件的构筑与功能化,对有代表性的研究成果进行了总结与评述,并对其未来的发展进行了展望.     

基于二维压电材料功能性器件的设计、构筑与性能研究

二维压电材料由于具有机械强度高、 性质多样、 柔性透明等特点, 吸引了广大科研人员的研究兴趣. 基于二维压电材料的柔性电子器件、 纳米传感器以及光电子器件等功能性器件也展现出了良好的性能和应用前景. 对此类器件的构筑和应用需要系统的设计和性能研究. 本综述围绕功能性的二维压电器件, 系统地论述了压电效应在(光)电子器件中的性能调控机制, 并总结其设计和制备流程以及如何实现多种功能性应用, 以期对此类器件的设计和研究提供参考.     

基于石墨烯及其衍生物的信息存储:材料、器件和性能

石墨烯以其独特的二维结构和高的热导电性、高杨氏模量、高电子/空穴迁移率、高抗拉强度、大的布鲁诺尔-埃米特-特勒表面积和量子霍尔效应等优异性能,备受科研工作者的关注,迅速成为材料、化学、物理和工程领域的热点研究课题。与富勒烯(C₆₀、C₇₀)的功能化一样,利用共价键合修饰或非共价键合修饰的方法可以在石墨烯表面或石墨烯体系中引入功能基团或功能组分,制备出种类繁多的具有特殊光、电、磁和生物效应的石墨烯衍生物。以石墨烯作为数据存储介质的分子级别计算已经引发了一场信息技术产业的革命,它能在更小的空间上,使用更少的能源来存储更多的数据信息, 有望成为目前基于硅半导体存储技术的潜在替代或补充技术。基于石墨烯的存储器件展现出优良的数据存储性能、器件稳定性和可靠性,为使这类器件具有更好的实际应用前景,人们采用许多技术手段来调控和优化器件性能。本文综述了近年来引起广泛关注的诸如石墨烯、共价修饰的石墨烯、石墨烯基复合材料、石墨烯/无机材料异质结等基于石墨烯及其衍生物的存储器件及相关材料研究进展,以及石墨烯/还原的氧化石墨烯透明电极在存储器件中的应用。探讨了该领域存在的亟待解决的关键基础问题和未来发展方向。     

基于层状过渡金属氧族化合物原位插层结构的研究进展

利用客体插层剂原位插层到二维层状材料, 不仅能够在原子尺度上实现对材料电子结构和本征物理性质的调控, 提高材料的载流子浓度、迁移率、磁学、光学和热学等物理性质, 而且还有望拓展其在光电子器件、能源存储与转化以及光电催化等方面的应用. 近年来, 探索合适的方法制备具有不同类型和功能的二维插层新结构已逐渐成为材料科学、物理、化学等领域的研究热点. 由于独特的电子结构和优异的性能, 二维层状过渡金属氧族化合物材料作为插层主体的插层结构受到了研究人员的广泛关注. 本文选取过渡金属氧族化合物为对象, 综述了不同种类插层剂原位插层合成方法(如碱金属插层、非碱金属原子插层、聚合物插层、有机小分子插层、还原氧化石墨烯插层), 提出了通过系列方法影响层间作用力以及利用晶体各向异性等工艺来实现新型插层结构的原位合成策略, 并展望了新型插层材料在电、磁、光、热、锂电、催化等众多领域的潜在应用前景.     

类石墨烯二硫化钼及其在光电子器件上的应用

由单层或几层二硫化钼构成的类石墨烯二硫化钼(graphene-like MoS₂)是一种具有类似石墨烯结构和性能的新型二维(2D)层状化合物, 近年来以其独特的物理、化学性质而成为新兴的研究热点. 本文综述了近年来类石墨烯二硫化钼常见的几种制备方法, 包括以微机械力剥离、锂离子插层和液相超声法等为主的“自上而下”的剥离法, 以及以高温热分解、水热法等为主的“自下而上”的合成法; 介绍了其常用的结构表征方法, 包括原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和拉曼光谱等; 概述了类石墨烯二硫化钼的紫外-可见(UV-Vis)吸收、荧光发射等基本光物理性质及其相关机理; 总结了类石墨烯二硫化钼在二次电池、场效应晶体管、传感器、有机电致发光二极管和电存储等光电子器件领域的应用原理及其研究进展, 展望了这类新型二维层状化合物的研究前景.     

纳米尺寸二硫化钼的制备与应用研究进展

二硫化钼(MoS₂)作为一种与石墨烯具有类似结构的材料, 近些年来受到了科学家们的越来越多的关注. 它凭借自身的层状结构, 独特的电子学、电化学性质, 大的比表面积以及表面改性的潜能, 在许多领域都有着广泛的应用. 本文简单论述了目前纳米尺寸MoS₂的制备方法, 包括微机械剥离、液相剥离、嵌锂法、水热反应、气相沉积以及热分解法等, 并对这些方法在制备纳米MoS₂中具备的优点和存在的不足作了简单点评. 另外, 介绍了纳米MoS₂在光电子器件、催化、传感、能量存储与转化等领域的应用研究进展, 并着重介绍了其在电化学和生物传感分析方面的应用研究现状, 并对未来纳米MoS₂的重点研究方向作出了展望. 从目前的研究来看, 纳米MoS₂在器件、能量存储和传感分析等应用方面存在着巨大的潜质, 有望成为一种继石墨烯之后性能十分优良的多功能材料.     

石墨烯透明导电薄膜

石墨烯是一种新型二维晶体材料,它独特的单原子层结构显示出许多优异的物理化学性质。以石墨烯为原料制备的透明导电薄膜继承了石墨烯的优点,与氧化铟锡(ITO)薄膜相比,具有更好的力学强度、透光性以及化学稳定性,已逐渐成为全世界范围内的研究热点。本文首先介绍了石墨烯的光电性能,然后分别从石墨烯透明导电薄膜的前驱体和制备方法两个不同的角度,归纳总结了最近几年石墨烯透明导电薄膜的研究进展,就目前所面临的问题进行了讨论,并展望了石墨烯透明导电薄膜的未来发展。     

一步法制备TiO_2/石墨烯复合多孔薄膜应用于增强光催化活性及光伏性能（英文）

纳米二氧化钛具有制备简单、成本低、化学稳定性好及光响应度高等诸多优势,因而广泛应用于光催化及太阳能转化等诸多领域中.然而,传统TiO_2纳米材料受限于较高光电子空穴复合率,导致其光催化活性及光电转化效率较低.为解决这一问题,研究者采用多种方法用以改善纳米TiO_2的结构,包括化学掺杂、半导体材料插层、碳材料杂化等;另一方面则关注材料结构的设计,例如将合成的纳米材料进一步加工为多孔薄膜,以增大材料比表面积及器件稳定性,以增强其器件性能.其中,将石墨烯引入纳米TiO_2中,形成复合纳米材料,以提升材料本身的光电子传输效率,降低光生载流子复合率,为制备高性能光催化剂及光伏器件开辟了一条可行之路.然而,目前制备的纳米TiO_2/石墨烯复合材料的性能仍不理想,其中常见的问题为合成的材料团聚严重,导致光生载流子在界面传输阻力及复合率都十分高,限制其实际应用.此外,当前大多数关于纳米TiO_2/石墨烯的制备方法仍为溶胶凝胶法、水热法等,所得材料需要进一步进行微纳加工方能形成介孔结构;这些加工方式往往需要二次退火处理,这会进一步加重纳米材料的团聚现象,导致孔隙率分布混乱、材料界面缺陷增多等不良结果.因此,本文采用一步法-蒸汽热法成功制备了TiO_2/石墨烯复合多孔薄膜,无需二次热处理.实验结果表明,所制TiO_2/石墨烯复合物(VTH)的形貌为二维结构,其比表面积高达260 m~2g~(–1),获得的多孔薄膜无明显团聚且孔隙分布集中.当复合物中还原氧化石墨烯含量为5.0wt%时,其光催化活性最高,高于单一的TiO_2薄膜近3倍;将还原氧化石墨烯含量为0.75wt%的复合物用于染料敏化太阳能电池的光阳极时,光电转化效率达到7.58%,明显高于传统方法制备的单一TiO_2的(4.38%).     

石墨烯及氧化石墨烯对分离膜改性的方法、效能和作用机理

石墨烯及氧化石墨烯由于其独有的性质在分离膜领域引起广泛关注。本文综合分析了石墨烯及氧化石墨烯在分离膜改性方面的几种典型应用,即共混膜、多孔石墨烯膜和层状排列氧化石墨烯膜,并结合其制备方法、效能和作用机理进行阐述。结果表明,相转化法制备的共混膜可以提高膜通量和截留率、增加膜的亲水性并有效抑制膜污染,但是其并不能充分发挥氧化石墨烯独有的结构和性能优势,具有一定的局限性;层薄和机械性能强的完美结合使石墨烯可以通过打孔形成分离性能较好的多孔石墨烯膜,但是制备大片石墨烯的难度和不成熟的打孔技术限制了其进一步发展;而层状排列的氧化石墨烯膜可充分发挥氧化石墨烯材料的特性,以层间间距作为主要运输通道有利于充分发挥氧化石墨烯高输运速率的优点和高选择性的特性,为开创下一代高通量、高选择性、强抗污染性的高性能分离膜提供了重要思路。     

基于碳纳米材料的非酶葡萄糖传感器

简述了非酶葡萄糖传感器的研究现状以及碳纳米新材料的电化学优势,主要讨论了碳纳米管、石墨烯及石墨烯氧化物、有序介孔碳、碳纤维和富勒烯等碳纳米材料与各种金属氧化物组成的复合材料构建的非酶葡萄糖传感器的电化学性能,重点探索了材料的制备方法和结构形貌对葡萄糖检测性能的影响。本文为基于碳纳米材料的非酶葡萄糖传感器的构建提供了材料选择、制备方法以及结构形貌等方面的参考,并对非酶葡萄糖传感器的发展及研究方向作出了展望。     

电化学法制备石墨烯及其复合材料

石墨烯是一种具有优异物理和化学性质的新型二维碳纳米材料,大规模低成本制备高品质石墨烯的方法是其能够得到广泛实际应用的重要前提. 电化学方法可以快捷、绿色无污染、批量制备高质量的石墨烯及其复合材料. 本综述在对石墨烯各种制备方法进行简要比较之后,对近年来石墨烯、石墨烯/无机纳米复合材料、石墨烯/聚合物复合材料以及类石墨烯材料的电化学法制备进展进行介绍并作了展望.     

准二维金属硫属化合物类石墨烯结构的化学合成与组装

无机类石墨烯属于准二维纳米结构体系,因其具有比纯碳石墨烯本身更多的调控参数,比如带隙类型及其带隙宽度可调节等,在电子器件构筑和能量转化存储等领域有着重要的科学意义和广阔的应用前景．近年来,具有准二维特征的金属硫属化合物（metalchalcogenides,MCs）作为类石墨烯结构的重要材料体系受到了广泛关注．本文概述了近年来金属硫属化合物类石墨烯结构的化学制备方法及其可能的组装应用,提出了通过系列方法影响层间作用力及利用晶体各向异性等材料设计与合成策略来实现类石墨烯的化学合成,并展望了类石墨烯的组装结构在能量存储与智能传感领域的应用前景．     

新型Ti3C2 MXene的化学制备及基于MXene忆阻器特性与机理

阻变器件是一种微电子器件,具有阻值可在两个甚至两个以上的阻态之间重复变化的特点。忆阻器作为新型的阻变器件,具有可连续变化的丰富阻态。近年来因其具备简单的二端结构、高集成度以及低工作电压等特性,在新型非易失性存储以及构建神经形态系统等方面被广泛研究。但其在实现应用的过程中仍存在着稳定性较差等问题。近期一些工作证明了二维材料如氧化石墨烯在优化忆阻器性能方面具备良好的应用潜力。MXene是一种具备类似石墨烯结构的新型二维过渡金属碳/氮化物,因其具备二维层状结构显现出特殊的力学以及电学特性,有望应用于忆阻器中以提高器件的电学性能。在本文中,我们通过化学湿法刻蚀制备了Ti₃C₂粉末,通过旋涂工艺在忆阻器结构中引入Ti₃C₂薄膜。Ti₃C₂ MXene与SiO₂同时作为忆阻器阻变层,制备了Cu/Ti₃C₂/SiO₂/W结构的忆阻器,并且对其相关电学特性进行了探究。在该器件上,通过实验测得忆阻器典型的开关特性曲线并在双向直流电压下针对高、低阻态的可重复性、稳定性进行了实验。结果表明该器件能够在100个扫描循环过程中保持稳定的高、低阻态达到10⁴ s以上。同时,该器件状态能够受脉冲电压调节,实现突触间典型的双脉冲易化行为。实验结果表明基于Ti₃C₂ MXene的忆阻器将有望应用于构建新兴存储设备以及人工神经形态系统。     

激光诱导三维网状石墨烯的一步法制备及应用

三维多孔石墨烯作为一种优异的石墨烯碳材料, 其独特的多孔结构使得材料在具有较大比表面积的同时还保持着足够高的电子迁移率和机械稳定性, 在电子器件中得到了广泛的应用. 本文介绍的激光诱导石墨烯是一种以一步法直接制备得到的三维网状石墨烯材料, 该技术将三维石墨烯的制备和图案化相结合, 无需进行湿化学反应处理, 制作方法更简便, 材料性能更优异. 目前研究主要集中在通过掺杂提高性能和利用转移法实现不同基底器件的制备. 激光诱导石墨烯自身特有的属性如多孔微纳米结构和大的比表面积等使其在超级电容器和传感器等领域拥有较高的应用价值.     

石墨烯化聚合物:一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子能源材料

近年来,用于电化学能源存储和转化的石墨烯材料,得到了研究者们越来越多的关注。但是,这些石墨烯材料不同于严格定义的单原子碳层结构,往往具有孔洞、杂原子和化学官能团等缺陷结构。由于制备方法的不同,缺陷结构各不相同,其电化学性能也表现各异。结构分析表明,这类材料是由类似石墨烯片段的单元与聚合物链共价连接而成,使其具有石墨烯和聚合物的双重特性,我们称之为石墨烯化聚合物。由小分子通过自下而上的方法制备的多孔聚合物,也可以通过进一步热交联等方法,使其形成包含石墨烯片段单元与聚合物链的化学结构。这些材料与石墨烯衍生材料一起组成了石墨烯化聚合物的整个谱系;这个谱系涵盖了由聚合物到石墨烯的过渡区。更重要的是,这类材料特殊的结构与性质,使其成为一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子材料,非常适合作为电极材料应用于电化学能源存储和转化,这为我们深入研究储能器件中电极材料的结构与性能的相关关系提供了很好的材料平台。     

新碳源制备活性炭和石墨烯及其非等电极电容水系超级电容器（英文）

碳材料具有不同的微米和纳米结构以及本体和表面的官能基团,因此成为最普遍采用的超级电容器电极材料。典型的例子是活性炭和石墨烯。最近的研究趋势是通过新方法,以传统和新碳源,例如生物质、聚合物、氧化石墨、碳氢以及二氧化碳气体,来制备成本低、电容性能高的活性炭和石墨烯。特别是,大多数新碳源衍生碳非常适用于水系电解液。电荷存储不仅发生在"碳|电解液"界面上(形成双电层),也依靠本体和表面的官能化带来的氧化还原活性,包括有限离域价电子转移反应。此外,进一步理解电荷存储机制有助于设计出比传统对称电容器具有更高电压和比能量的非等电极电容水系超级电容器。本文综述了新碳源衍生碳材料和器件的最新进展,为超级电容器技术的持续发展助力。     

一维有机微纳米光功能材料研究进展

近年来,一维有机小分子微纳材料因为其新颖的光学性能和在未来小型化器件中的广泛应用,受到了人们越来越多的关注.相比于传统无机半导体材料,有机小分子材料具有结构多样性、功能可设计性、易大量制备、易机械加工等显著优势.本文将从一维有机小分子纳米材料的制备方法、形貌调控、光学性能(如光波导、受激发射、电致发光等),及其在光学器件上的应用出发,对近十年来的相关研究进展及成果进行总结和介绍.     

氮掺杂石墨烯的制备及其在化学储能中的研究进展

石墨烯独特的二维空间结构使其具有优异的导电性能、力学性能以及超大的比表面积,被认为是颇具潜力的新型储能材料,是目前储能研究的热点之一。 但是石墨烯易团聚、表面光滑且呈惰性而不利于与其它材料的复合,导致其应用受到限制。 石墨烯掺氮可改变其电子结构,增加表面的活性位,从而提高其应用于储能器件时的电化学性能。 本文综述了近几年氮掺杂石墨烯的制备方法以及其在超级电容器、锂离子电池、锂空电池以及锂硫电池等化学储能领域中的应用,指出了目前氮掺杂石墨烯在制备和储能应用中关注的核心问题,并对氮掺杂石墨烯的发展前景进行了展望。     

基于膜厚与分子量优化策略实现高效近红外有机光探测器

利用基于[1,2,3]三唑并[4,5-f]异吲哚-5,7(2H,6H)-二酮(TzBI)共轭聚合物PTzBI-Cl为给体,非富勒烯小分子Y6DT为受体,制备基于倒装结构的有机本体异质结光探测器.基于高分子量聚合物PTzBI-Cl-H制备的器件比低分子量材料制备的器件具有更低的暗电流和更高的光探测性能.通过对PTzBI-...