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重庆大学李新禄教授团队在《ACS Nano》发文报道铆钉石墨烯的研究成果

日期 : 2016-07-06
摘要
我校材料学院新能源材料研究中心的李新禄教授与美国莱斯大学(Rice University)James M Tour教授团队合作,成功研制出一种新型结构的石墨烯复合薄膜,首次在国际上将该类石墨烯薄膜命名为“铆钉石墨烯”(英文:rivet graphene),该研究成果发表在《ACS Nano》上。

我校材料学院新能源材料研究中心的李新禄教授团队与美国莱斯大学(Rice University)James.M. Tour教授团队合作,采用化学气相沉积(CVD)方法成功研制出一种新型结构的石墨烯复合薄膜,首次在国际上将该类石墨烯薄膜命名为“铆钉石墨烯”(英文:rivet graphene),该研究成果以“Rivet Graphene”为题,发表在美国化学学会的《ACS Nano》上。《ACS Nano》是国际纳米科学领域最有影响力的期刊之一,目前该期刊的影响因子为13.334。

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图1. 铆钉石墨烯薄膜的结构示意图

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图2. (a)铆钉石墨薄膜的光学照片,四角边缘由黄色标记,该薄膜的制取和转移无需聚合物的辅助,而且该薄膜能够自由漂浮于含有1%的1-丁醇的水面上而不发生裂纹,(b)紫外-可见光谱对载玻片、钢筋化石墨烯和铆钉石墨烯透光率的测试,插图是一张在载玻片上铆钉石墨烯照片,黄色标志表示铆钉石墨烯的四角边缘,(c)铆钉石墨烯在硅片的扫描电镜照片,(d)铆钉石墨烯的透射电镜照片。

(a)离子凝胶门控铆钉石墨烯晶体管在PET衬底的示意图。底部左图︰PET基晶体管结构图;底部右图︰PET基晶体管的光学显微镜图片,(b)铆钉石墨烯归一化空穴/电子迁移率与弯曲半径的函数关系图,铆钉石墨烯在2.5% 的压缩和拉伸应力下依旧保持其良好的电子/空穴传输速率,在柔性电子器件中显示出其优异的耐弯曲性能。

石墨烯薄膜由于其优异的性能及其在柔性电子器件、 高频晶体管和逻辑器件等的潜在用途而倍受到国内外研究者的关注。目前,石墨烯薄膜通过化学气相沉积 (CVD)法生长在过渡金属基体的表面上,再利用聚合物的辅助而转移至其他基体上,该技术路线被认为是最有希望的量产合成工艺。然而,在石墨烯转移过程中无法彻底去除所使用的聚合物,残余聚合物的存在严重减弱了石墨烯的电学性能。另外,大面积单层石墨烯由于机械强度低,极易出现破裂,依然很难获得。

李新禄教授在美国莱斯大学访学期间,与James M. Tour教授课题组在石墨烯薄膜方面开展了国际合作研究。首先利用网络化碳纳米管原位增韧单层石墨烯薄膜,采用CVD法合成大面积的钢筋化石墨烯(rebar graphene),然后在此基体上采用CVD法原位生长碳纳米洋葱包裹Fe的球形核壳式纳米粒子,这些纳米粒子通过共价键钉扎在钢筋化石墨薄膜的表面上,就像铆钉一样钉扎在金属板上,从而解决了金属颗粒在大面积单层石墨烯薄膜上牢固负载的难题,故将该种石墨烯薄膜称之为:铆钉石墨烯。该种石墨烯薄膜无需聚合物的辅助转移,可以自由漂浮在水面上,表现出优良的光学透明度、 导电性以及机械强度,特别是在特定拉伸压缩力下依然能够保持优良的电子空穴传输性能。碳纳米洋葱包裹 Fe 的纳米粒子能够显著增大铆钉石墨烯与金属电极之间的电荷注入和电子传输长度。该项工作为石墨烯基透明柔性电子产品的研发和应用提供了新的思路和作法。

该项研究工作得到了美国空军科学研究基金、国家留学基金委和重庆市自然科学基金的资助。

文章全文请详见:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b03080