二维半导体材料与器件——从传统二维光电材料到石墨炔

近年来,二维半导体材料由于其独特的材料结构和电子输运特性得到了科学界的广泛关注,被应用于光电器件、催化和生物传感器等领域。本文系统概述了传统二维材料以及新兴二维材料石墨炔的发现和发展历程。重点聚焦在二维材料在光探测器领域中的应用,探讨了不同二维材料体系及器件结构对光探测器性能的影响;并详细介绍了新兴二维材料——石墨炔,及其合成和应用。展望了传统二维材料及石墨炔在光电转换器件的应用中所面临的机遇和挑战。     

二维高分子——新碳同素异形体石墨炔研究

二维平面网络结构的石墨炔具有大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性和半导体性能.石墨炔特殊的电子结构和孔洞结构使其在信息技术、电子、能源、催化以及光电等领域具有潜在、重要的应用前景.自2010年被成功合成后,吸引了来自化学、物理、材料、电子、微电子和半导体领域的科学家,对其诱人的半导体、微纳电子、光学、储能、催化和机械性能进行了探索.本文总结了二维高分子石墨炔的研究进展,重点描述了石墨炔潜在性质和性能的理论预测,以及石墨炔的合成及其在电子、光伏、储能和催化领域的应用等.     

二维半导体材料纳米电子器件和光电器件

近年来,随着各领域对微电子器件集成度及性能要求的不断提高,发展基于二维半导体材料的新型高性能功能性器件成为了突破当前技术瓶颈的重要环节和关键方向。目前,作为新型二维半导体材料的代表,二维过渡金属二硫化物、二维黑磷以及范德瓦尔斯异质结凭借其在电学、热学、机械、光学等方面的优异性能已经成为了发展高性能纳米电子器件和光电器件的最具潜力的材料之一。在本综述中,首先概述了几种用于纳米器件的常见二维材料,分析了材料的结构、性能及其在纳米器件中的应用,其次重点对基于过渡金属二硫化物、黑磷以及由其衍生的范德瓦尔斯异质结的纳米电子器件和光电器件的最新研究进展进行讨论,最后对目前二维半导体纳米器件所面临的挑战以及未来的发展方向进行总结及分析,从而为未来发展高性能功能性纳米器件提供支持。     

基于3d元素掺杂的石墨二炔分子传感材料性能调控

二维碳材料因其独特的性质成为凝聚态物理、纳米电子学、生物医药等领域的前沿研究热点。石墨二炔具有天然的半导体特性及独特的大孔网状结构,在纳米电子器件和生物传感方面比石墨烯更具优势。本文使用第一性原理计算研究了单层石墨二炔的纳米带电子输运性质和及石墨二炔对小分子的吸附。我们考虑用掺杂3d金属原子的方法来增强对分子的吸附力。选择在石墨二炔表面吸附能较大的钪(Sc)、钛(Ti)原子,确定石墨二炔表面Sc、Ti单原子在室温下的稳定性,研究了Sc、Ti掺杂石墨二炔用于分子检测的潜在可能。从能带、载流子浓度等方面全面探讨了Sc、Ti掺杂石墨二炔对甲醛分子(HCHO)的响应。又进一步研究了石墨二炔与氨基酸分子间相互作用,发现色散力在相互作用中占主导地位。研究了吸附氨基酸对石墨二炔电子输运的影响,探讨石墨二炔在生物传感方面的潜在应用。     

Ⅳ-Ⅵ族低维半导体材料与器件研究进展

二维Ⅳ族金属硫属化合物作为二维层状材料的重要组成部分,由于其晶格结构具有较低的对称性且与核心半导体工艺具有很好的兼容性,在电学、光学、磁性等方面具有优异的性能,并且在地球上资源丰富且具有低成本、环保的特性,因此在光电器件领域具有很大的应用潜力.基于本课题组近年来的研究进展,本文首先介绍了二维Ⅳ族金属硫属化合物及相关异质...     

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.     

石墨炔在锂/钠离子电池负极中的应用

二维石墨炔优异的物理和化学性质受到了广泛的关注。近几年,与石墨炔相关的理论、合成和应用研究快速发展,并取得显著成果。基于石墨炔独特的制备方式与可控的分子结构,其已经在很多传统的研究领域展现出潜力,也在一些新兴的研究方向上产生重要影响,表明石墨炔的研究正逐渐成为一个非常热门研究领域。而石墨炔在电化学储能方面的研究越来越多,文章概述了石墨炔与电化学储能相关的优异特性,总结了石墨炔的常规制备方法,重点讨论了在低温制备优势下石墨炔家族成员的迅速壮大和相应石墨炔新成员独特结构对电化学储锂和储钠行为的影响。     

化学课堂新知识：新型碳材料——石墨炔

我国科学家李玉良院士首次用化学方法成功制备了石墨炔,得到了不同领域科研工作者的广泛关注并迅速发展成为新研究领域和热点。作为一种新型的碳材料,石墨炔具有独特的孔洞结构和电子结构,研究表明它在能源、催化等领域具有重要的潜在应用。本文介绍了石墨炔的理论预测、实验制备及其在储能方面和催化方面的研究现状和发展趋势。将这种具有中国自主产权的新型碳材料引入到大学化学的相关课堂教学中,可以拓展学生的科研学术视野,提高本科生的学习兴趣及科研素养。     

二维材料场效应晶体管生化传感器件的研究进展

场效应晶体管（Field effect transistor, FET）生化传感器件具有噪声小、功耗低、免标记、易于集成和小型化等优点,在环境监测、食品安全、疾病诊断和临床治疗等领域具有良好的应用前景。二维材料作为新一代FET生化传感器件的沟道材料,具有原子级厚度、高载流子迁移率、高比表面积和可调带隙等特性,可进一步提升FET生化传感器件的性能和拓展器件应用场景,推动FET生化传感器件的快速发展。本文综述了近年来二维材料FET生化传感器件的发展历程和最新进展,分析了二维材料FET生化传感器件的挑战和发展前景,以期为研究人员设计新的生化传感器件提供思路,促进生化传感技术的进一步发展。     

石墨炔在电化学储能器件中的应用

当今社会,电化学储能器件在人类的社会活动中变得越来越重要。电极材料作为电化学储能器件的核心部分,一直是人们研究的焦点。石墨炔是一种新型的二维平面结构的全碳材料,它宽的层间距、大的比表面积、独特的三维孔隙结构和好的导电性使其在能源存储器件电极材料应用中具有巨大的潜力。基于石墨炔温和的制备方法与独特的结构特征,本文详细介绍了近年来石墨炔在储能方面的理论分析和实验进展。通过研究锂/钠在单层、多层石墨炔上的迁移率和存储,理论分析石墨炔基电池具有很好的储锂储钠性能。实验方面,石墨炔作为电极材料在储钠储锂方面的容量与理论值相近。此外石墨炔作为电极材料成功应用于超级电容器和金属-硫电池,并表现出了优异的容量存储性能。石墨炔纳米形貌的调控、石墨炔的热处理,以及异原子的掺杂等均可以有效地提高石墨炔在这些储能器件中的性能。     

卟啉类化合物分子光电器件研究进展

分子电子器件是未来分子电路的微电子元件,已成为有机功能纳米材料研究的热点。 卟啉类化合物的π共轭体系表现出的独特光电性能和良好的热稳定性,使其作为光电器件、模拟生物酶、分子识别和传感材料在材料化学、医学、生物化学和分析化学等领域展现出良好的应用前景,由于卟啉分子平面结构的易修饰性,常用卟啉化合物组装单元来构建功能化的卟啉光电器件。 本文综述了卟啉类化合物的特点及其在光电器件中的应用进展。     

Dicyanopyrazine-Containing Fused Aromatic Molecules: Potential n-Type Materials for Use in Optoelectronic Devices

Two dicyanopyrazine-containing aromatic compounds, pyrazino[2′,3′:9,10]phenanthro[4,5-fgh]quinoxaline-5,6,12,13-tetracarbonitrile (PPQD) and pyrazino[2′,3′:9,10]phenanthro[4,5-fgh]quinoxaline-5,6,12,13-tetracarbonitrile,2,9-bis(1,1-dimethylethyl) (PPQB), which have remarkably high electron affinity and ionization potential, were synthesized and qualified as potential n-type materials for use in solar cells and organic light-emitting diodes.      

Preparation of a Large Amount of Ultrathin Graphdiyne

We report a facile strategy to prepare a large amount of ultrathin graphdiyne (GDY) with good crystallinity in the mixture of oil–water systems. By simply mixing the solution of GDY monomer in CHCl₃ and the copper acetate solution as a catalyst in water and stirring at room temperature, ultrathin GDY films with a thickness of ∼4 nm were obtained in a yield of 95 %. This work provides a feasible path for the substantial preparation of GDY films and may pave the way to the development of substantial preparation of the GDY materials.     

Research on the Preparation of Graphdiyne and Its Derivatives

As a new 2D carbon material allotrope composed of sp and sp² carbon atoms, graphdiyne (GDY) possesses a highly conjugated porous structure, easily tunable intrinsic bandgap, and various excellent properties. Such properties allowed researchers to develop methods to prepare GDY, so that it can be applied for energy storage and conversion, environmental protection, various electronic devices and so on. In this review, the authors systematically discuss the methods and strategies developed for preparing GDY and its derivatives, including the synthesis of GDY by using liquid-, solid-, and gas-phase methods, the synthesis of heteroatom-doped GDY, the preparation of GDY-based composites, and the synthesis of GDY analogues. All these preparation methods can provide the way to obtain GDY for specific studies and applications.     

二维钙钛矿光伏器件

有机-无机杂化卤化物钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells, PSCs)由于其成本低廉、制备工艺简单、光电转换率高等优点引起了越来越多的关注,在下一代半导体光伏技术中显示出巨大的发展潜力。然而PSCs器件在商业化生产应用之前,必须解决某些关键问题,例如器件在湿度、光照和过热条件下缺乏稳定性,性能会急剧衰退。层状二维(two-dimensional, 2D)钙钛矿由于其优异的环境稳定性而受到研究人员的广泛关注。通过引入不同种类的疏水性大体积有机铵阳离子可以在钙钛矿体内形成稳定的2D结构。然而,由于绝缘有机间隔阳离子的存在,使其电荷输运能力受阻并影响光电转换性能。本文根据不同种类2D钙钛矿光伏器件的发展进程,总结了影响2D钙钛矿结构和性能的关键问题,如晶体垂直取向设计、量子阱调控和有机层间隔阳离子替换工程等。最后对2D PSCs的未来发展进行展望。     

柔性复合热电材料及器件的研究进展

热电材料能够将热能与电能直接相互转化,在废热回收及绿色制冷领域中具有巨大的应用潜力。相比无机块体热电材料,柔性热电材料具有可弯折、体积小、质量轻等优点,还适用于制备可穿戴电子设备。近10年来,基于导电高分子、碳材料和无机纳米材料等的柔性复合热电材料及器件逐渐成为炙手可热的研究领域,受到了业内广泛的关注。本文综述了近年来基于不同材料体系的柔性热电材料及器件的研究进展、存在的亟待解决的问题和未来的发展方向。大量研究结果表明,材料的热电性能可以通过化学合成和分子设计战略、形貌控制及掺杂技术等进行有效的调控。研发满足实际应用需要的先进柔性热电材料仍然极具挑战性。     

Direct Olefination of Fluorinated Benzothiadiazoles: A New Entry to Optoelectronic Materials

Fluorinated olefin‐containing benzothiadiazoles have important applications in optoelectronic materials. Herein, we reported the direct olefination of fluorinated benzothiadiazoles, as catalyzed by palladium. The reaction proceeds under mild reaction conditions and shows high functional‐group compatibility. A preliminary study of the properties of the resulting symmetrical and unsymmetrical olefin‐containing fluorinated benzothiadiazoles in red‐light‐emitting dyes has also been conducted.     

Infrared Polaritonic Biosensors Based on Two-Dimensional Materials

In recent years, polaritons in two-dimensional (2D) materials have gained intensive research interests and significant progress due to their extraordinary properties of light-confinement, tunable carrier concentrations by gating and low loss absorption that leads to long polariton lifetimes. With additional advantages of biocompatibility, label-free, chemical identification of biomolecules through their vibrational fingerprints, graphene and related 2D materials can be adapted as excellent platforms for future polaritonic biosensor applications. Extreme spatial light confinement in 2D materials based polaritons supports atto-molar concentration or single molecule detection. In this article, we will review the state-of-the-art infrared polaritonic-based biosensors. We first discuss the concept of polaritons, then the biosensing properties of polaritons on various 2D materials, then lastly the impending applications and future opportunities of infrared polaritonic biosensors for medical and healthcare applications.     

含硼有机发光二极管材料与器件

硼元素因其独特的价层电子结构——价电子数少于价轨道数,而拥有一个空的p轨道,其三配位化合物既可以和邻近的π体系产生有效共轭,又可以容易地与路易斯碱发生络合,形成四配位化合物。将硼元素引入传统的光电功能分子当中,往往能给整个体系带来独特的光电性质,这已成为新型有机光电功能分子设计的重要思路。本文围绕硼元素的三配位化合物和四配位化合物,从分子设计理念、化合物光电性质、相关器件的结构与效率等方面对含硼有机光电功能分子及其器件的研究进展进行综述,并对其未来发展做出展望。