石墨烯纳米带的制备及其应用

石墨烯纳米带的制备及其应用：

[1]于璇,刘一,叶雨萌,肖胜雄.石墨烯纳米带的制备方法[J].上海师范大学学报(自然科学版),2018,47(05):539-551+508.

石墨烯是一种二维大平面结构, 为了维持其自身的稳定, 很容易产生皱褶、起伏等结构缺陷.因此, 近年来研究者们开始着重研究石墨烯不同形态的衍生物.其中, 石墨烯纳米带 (GNRs) 成为继CNTs之后被广泛关注的一类准一维碳基纳米材料.GNRs是指宽度小于50 nm的石墨烯条带, 其理论模型最初于1996年由FUJITA等[3,4,5]提出, 以检查石墨烯中的边缘和纳米级尺寸效应.由于其具有高载流子迁移率, 石墨烯也被公认为是纳米电子学未来最有应用前景的材料之一.尽管如此, 在纳米电子学中利用石墨烯的最大挑战之一就是其缺乏足够大的带隙[6].因为没有带隙, 则难以关闭石墨烯场效应晶体管 (FETs) , 导致较小的开关比, 所以石墨烯不能直接应用于晶体管.要想在打开石墨烯带隙的同时保证其载流子迁移率不下降, 最好的办法就是将石墨烯裁剪成宽度较小的GNRs.当材料的尺寸变得等于材料中电子运动的特征长度时, 材料的性质在很大程度上取决于其尺寸和形状.GNRs结构引起的量子限域可以引入相当大的带隙, 使得GNRs可以应用于纳米电子学中.虽然GNRs不具有石墨烯那样易于器件化的平面结构, 但它继承了石墨烯的许多优异性质, 且由于GNRs特殊的边缘限域效应, 从而使其具有比石墨烯更灵活的可调节性质和更大的实用价值.

1.1 自上而下的制备方法

到目前为止, 人们对石墨烯的制备方法进行了各种研究, 取得了很多进展, 其基本思路可以分为两种:一种是以天然石墨为原料, 从大到小剥离得到单层的石墨烯材料;另一种是从碳原子出发, 从小到大合成GNRs.但如何大批量的制备高质量石墨烯, 仍然是学术界

急需解决的问题.

自上而下的方法是目前较成熟的方法之一, 该方法是把大的GNRs、石墨烯晶体、CNTs等通过一系列的方法变成所需尺寸的纳米带.这种方法不能提供均匀的超窄带宽度和原子级精确边缘, 但是相比于自下而上的制备方法可以大规模的合成GNRs.如图4所示, GNRs的制备方法可以简单总结为几种[12]: (a) 多壁碳纳米管 (MWCNTs) 的嵌入-剥离方法, 包括在液态NH3和Li中进行处理, 以及随后使用HCl和热处理的剥离方法; (b) 化学途径方法, 涉及可能破坏碳-碳键的酸反应, 例如硫酸 (H2SO4) 和高锰酸钾 (KMnO4) 作为氧化剂; (c) 催化方法, 其中金属纳米粒子像剪刀一样纵向“切割”CNTs; (d) 电学方法, 让电流通过CNTs; (e) 物理化学方法, 将CNTs嵌入聚合物基质中, 然后进行Ar等离子体处理, 得到的结构是展开的碳纳米管, 如图4 (f) 所示, 进一步得到GNRs.下面将具体从解卷CNTs法、催化反应解离石墨烯法和石墨烯刻蚀法等方法详细介绍如何制GNRs.

1.1.1 解卷CNTs法

由于GNRs在结构上与CNTs相关, CNTs可以被视为卷起的GNRs, 因此可以通过纵向拉开CNTs来合成GNRs.而解卷CNTs的方法多种多样, 目前比较成熟的就是将CNTs通过一定的方式变成GNRs.解卷CNTs是利用外界作用将管状CNTs切割成带状GNRs的方法.该方法工艺简单、成本低廉, 并且所得GNRs尺寸均一、边缘平整、缺陷低, 因此在大规模制备高质量GNRs领域呈现具体广阔前景.CNTs是圆柱形碳同素异形体, 有明确且可控的直径, 这使得它们成为精确尺寸GNRs的合适前体.

KOSYNKIN等[14]报道了一种基于溶液的氧化工艺以打开MWCNTs.他们首先将MWCNTs悬浮在浓H2SO4中, 然后用KMnO4处理, 将混合物在室温下搅拌1 h, 然后在55~70℃下再加热1 h.该过程完成之后, 纳米带的边缘和表面上都会出现含氧物质, 例如

环氧化物、羰基、羧基和羟基, 其机理见图5[14].在此过程中, 由于高锰酸盐的氧化作用, 烯烃被氧化, MWCNTs被解链成GNRs, 如图6 (a) 所示.经过分离处理之后, 收集最终产物并用扫描电子显微镜 (SEM) 和原子力显微镜 (AFM) 表征, 这两项测试结果都表明在剩余少量MWCNTs的情况下形成了GNRs.但是原始MWCNTs的直径为40~80 nm, 所产生的GNRs的宽度超过100 nm, 如图6 (b) 所示.大多数GNRs的厚度为1~3层, 宽度为10~20 nm, 如图6 (c) 所示.图6 (d) 清楚地表明了在纳米颗粒的切割下, 产生了部分展开的CNTs.然而, 沿CNTs轴向和垂直于CNTs轴的方向都能够观察到切口, 因此解卷的过程难以得到精确控制.

HUANG等[15]用KMnO4和H2SO4混合处理CNTs, 沿着一个轴心将CNTs打开, 得到宽度在100~500 nm的GNRs, 如图7[15]所示.这种方法虽然可以制备大量的GNRs, 但是得到的GNRs不是半导体, 其在半导体器件中的应用受到了一定的.

1.1.2 催化反应解离石墨烯

在二维材料的很多应用中, 需要先将石墨烯切割成特定的形状.虽然它们可以在强氧化或者高能等离子体环境中进行切割, 但是为了保证石墨烯样品的质量, 希望能在更温和的条件下进行切割.其中一种可能的途径是使用金属纳米粒子作为催化剂, 而金属纳米粒子催化的石墨烯切割存在新的机理, 所以为了切割过程更加可控, 需要对其机理进行深入了解.前面所提到的在强氧化条件下进行的解卷CNTs是被普遍接受的“拉链”定理, 而这种定理无法解释运用金属纳米粒子来解离石墨烯过程中出现的诸多纳米粒子效应.碳碳键可以通过催化反应解离, 因此通过沉积催化金属颗粒可以从石墨烯薄片中切出石墨烯纳米结构.铁 (Fe) 或镍 (Ni) 的金属颗粒在氢气 (H2) 存在下可以与石墨烯相互作用并解离碳碳键.这种相互作用蚀刻石墨烯的方法会产生由C和H组成的气体产物, 例如甲烷 (CH4) .这一过程类似吃豆人游戏中的吃豆过程, 因此相关的机理被称为“吃豆人”机理.当颗粒的切割

路径彼此平行而不是交叉时, 可以产生GNRs, 并且宽度可以达到10 nm, 具有明确的边缘[16,17,18].切割路径的方向性是有明确定义的, 如暴露于金属颗粒的石墨烯表面AFM图像的示意图所示 (图8[16]) .图8是该类反应的示意图, 在典型的方法中, 将氯化镍 (Ni Cl2) 的水溶液旋涂到剥离的石墨烯表面上, 然后在加热板上烘烤让溶剂蒸发.再将处理过的样品在H2/Ar气流下进行两步处理:首先在500℃下退火以使Ni纳米颗粒适当地成核, 然后在1000℃下进行切割.切割后, 通过AFM观察到具有明确角度的沟槽, 表明切割过程是高度的各向异性.因此, 该切割方法可用于合成具有良好可控边缘结构的GNRs.对于单层石墨烯, 沟槽之间的角度主要是120°和60°, 分别由图9 (a) 和图9 (b) 所示.因为这种方法不能预先确定切割方向, 获得的石墨烯纳米结构的形状是各种各样的, 所以如果想要将该技术运用于实际中, 则需要进一步的实验工作来控制纳米带的形状.

1.1.3 刻蚀法

纳米线刻蚀法 (NWL) 是用氧等离子体刻蚀石墨烯, 以纳米线为掩膜板来制备GNRs.如图10[19]所示, BAI等[19]将石墨烯沉积在硅 (Si) 基板上, 在石墨烯上排列出纳米线阵列, 用氧等离子体进行刻蚀, 经过超声波降解处理得到GNRs.这种方法制得的GNRs具有较小的宽度, 但是产率不高, 无法大规模生产.虽然刻蚀法制备的GNRs宽度小, 杂质少, 电学性能好, 但是难以实现大规模、高质量、边缘构型和尺寸可控的制备, 且这种方法使用的设备较复杂、昂贵.

1.2 自下而上的制备方法

对石墨烯或CNTs进行原子精度可控的切割是一项艰难的工作, 相比较而言, 如若将欲构建的GNRs看作是几十或几百甚至几千个共轭大分子经过“缝合”而相互连接, 即自下而上法, 这未尝不是一种好的替代方法.自下而上的制备思路使得无论是传统的基于溶液

的聚合化学, 即湿法有机合成, 还是新兴的表面介导合成都在此占有一席之地, 与自上而下的制备方法相比, 其最大优势就在于能确保原子精度可控, 从而降低因边缘混乱造成的GNRs性质的改变.

1.2.1 表面介导合成法

该方法是基于含两个卤素取代的分子, 经热活化脱卤, 再自由基加成形成线性聚合物链, 并借助表面辅助耦合环化脱氢, 构建完整的GNRs.通过分子前体生长法, 可以生产出不同的拓扑结构和宽度的原子级精度的GNRs.

CAI等[20]在金 (Au) (111) 表面, 用10, 10'-二溴-9, 9'-二十烯基单体通过两步合成了N=7的纳米带, 第一步是在200℃退火而热活化, 在该温度下, 脱卤中间体具有足够的热能以沿着表面扩散并在单体之间形成共价C-C键, 进而形成聚合物链;第二步则是在400℃中退火10 min, 通过诱导聚合物链的分子内环化脱氢, 从而形成N=7的AGNRs.除此之外CAI等[20]还用类似的方法, 选用6, 11-二溴-1, 2, 3, 4-四苯基三亚苯作为前体单体, 制备了具有N=6和N=9的交替宽度的、周期为1.70 nm的V形GNRs和纯扶手椅边缘结构 (图11[20]) .

虽然表面辅助的GNRs合成能够制备和表征具有不同宽度、边缘结构、杂原子掺杂和异质结的原子精确GNRs, 但是这种方法需要能够产生特高真空度的复杂而昂贵的装置, 并且耗费时间, 不利于大规模制备, 从而妨碍了其实际应用.

1.2.2 湿法有机合成

利用自下而上的湿法有机合成制备GNRs的研究最早可追溯到1970年, 当时STILLE

等[21]首次报道了尝试合成由六边形和五边形的芳环组成的完全共轭梯形聚合物, 虽然这种芳族梯形聚合物当时不被认为是GNRs, 但它们的芳香族带状结构确实可以被看作是具有确定缺陷的GNRs, 当时得到的梯型聚合物由于很强的π-π堆积相互作用, 几乎不溶解, 因此并未确定其结构特征.1993年, CHMIL等[22]报道了利用McMurry偶联合成了仅由六元环组成的称为“角多并苯”的完全共轭梯型聚合物, 该聚合物被认为是具有限定结构的最窄的GNRs之一.

FOGEL等[23]通过化学计量控制的微波辅助Diels-Alder反应构建了具有重复单元中的刚性二苯并[e, l]芘核的5个单分散线性聚苯基的同源系列化合物.通过加入多达6个二苯并[e, l]芘单元, 在芳环骨架上的碳原子从132 (n=1) 提升至372 (n=5) 个 (图12[23]) , 随后环化脱氢得到平面化的纳米带.含有132个碳原子的最低同系物具有足够的可溶性可以被完全表征, 而这些平面化分子 (n>2) 的较高同系物的表征则由于其较低的溶解度而受到阻碍.

YANG等[24]从前体分子1, 4-二碘-2, 3, 5, 6-四苯基苯出发, 首次借助Suzuki-Miyaura聚合, 设计出长度达12 nm、n=9的扶手椅线性二维GNRs的新颖合成方法 (图13[24]) , 并用质谱 (MS) 、紫外-可见光谱 (UV/vis) 、扫描电子显微镜 (SEM) 等方法进行了表征.由于在纳米带边缘位置引入了大量烷基链, 使得其在普通有机溶剂中能获得良好的溶解度.

在此之后, 大量研究者利用Suzuki-Miyaura聚合合成了形形色色的纳米带.例如, 通过选用不同类型硼酸酯, 如苯二硼酸酯、萘二硼酸酯、蒽二硼酸酯等与相同的前体分子偶联[25,26], 从而获得不同宽度的纳米带 (图14[26]) .由于其较为扭曲的分子骨架, 使其获得了更大的聚合度, 且随着GNRs变宽, 空穴和电子迁移率也有变高的趋势, 最高可达7.11×10-2cm2·V-1·s-1, 具有较好的FETs性能.

除了Suzuki-Miyaura反应和Diels-Alder反应之外, Yamamoto耦合反应也是一种合成纳米带的常用方法.Yamamoto耦合通常只需要一种二卤单体, 且反应能克服较大的空间位阻, 因此借用此法可获得空间较为拥挤的GNRs前体.SCHWAB等[27]借助双氯前体分子首次获得横向扩展宽度为1.~1.98 nm且带隙低至1.12 eV的GNRs (图15[27]) , 且对光谱的近红外区域具有广泛的吸收, 其GNRs前体的重均分子量达52000 g/mol, 相比于Suzuki-Miyaura聚合, 显现出极好的合成效率.而后, 该课题组又用类似方法创造性地合成出宽度约为2.1 nm且纵向长度达到约10 nm的N=18的AGNRs, 其光学带隙约为1.6 eV[28].

最近, ZENG等[29]通过湿化学方法合成了一系列可溶且稳定的CP环稠合低聚物 (图16[29]) , 在空气环境和光照条件下, 这些萘嵌苯化合物在甲苯中的光稳定性测试表明它们具有良好的稳定性, 并且有类似的开放壳单线基态.所有这些低聚物的几何形状在密度泛函数RB3LYP/6-311G (d) 模型基组水平上进行了优化, 观察到类似的弯曲结构, 它们的弯曲角度θ, 定义为六元环的质心与两个末端的碳-碳之间的角度, 且随着CP环数量的增加, CP环稠合低聚物的分子弯曲角度达到155.° (图17[29]) .

SLOTA等[30]课题组发表了一种新的自下而上的分子合成方法, 它可以制备具有各种结构的原子级精确的GNRs, 这些结构可以通过分子前体的形状独特地定义.他们使用硝基氮氧化物 (NIT) 基团作为磁性注射器 (图18[30]) , 通过基于溶液的自下而上的化学方法, 将稳定分子GNRs的边缘状态注入自旋密度.这种方法的优点是:在GNRs中引入磁功能, 显示出有趣的量子特性;不依靠无法直接观察的化学反应来创造边缘状态;样品可以批量生产, 而不是只出现在一个设备上;可以测试批量样品中的经典量子自旋特性.图18 (a) 为NIT聚亚苯基的合成路径和硝基氮氧化物GNRs (NIT-GNRs) , 旋转自由基显示为蓝色;图18 (b) 为NIT-聚亚苯基及其局部态密度能级, 显示其没有能带结构, 并且其自旋位于NIT基团上;图18 (c) 为NIT-GNRs及其带状结构, 显示局部状态和离域边缘状态内的自旋注入.在图

18 (b) 和图18 (c) 中, 针对不同能量范围计算的密度被描绘为绿色、蓝色和橙色阴影区域 (参见箭头) ;对于给定的能量间隔, 蓝色虚线和红色实线对应于旋转和旋转状态的局部密度.

到目前为止, 湿法合成仅限于大带隙的半导体特性的GNRs, 由于其固有的高反应活性, 具有潜在金属性质的GNRs的合成仍未成功.所以, 具有金属或半金属性质的、可溶性的、稳定的、非常长的GNRs的湿化学合成仍然是一项非常具有挑战性的任务.

六方氮化硼表面石墨烯纳米带生长与物性研究_陈令修

石墨烯纳米带一般是指宽度小于 50 nm 的准一维碳材料, 能带结构类似于碳纳米管.

自上而下的方法

制备石墨烯纳米带主要是通过将机械剥离的单层石墨烯薄膜转移至 h-BN 表面, 然后通过氢等离子体各向异性刻蚀得到不同宽度的石墨烯纳米带

h-BN 表面自下而上制备石墨烯纳米带的方法主要分为两种: 台阶外延生长法[55,60] 和模板法[48]首先通过高温退火对机械剥离的 h-BN 样品进行表面处理, 得到干净平整的 h-BN 表面; 然后, 在还原气氛条件下, 利用金属纳米颗粒在 h-BN 表面刻蚀出单原子层、边缘平直且方向、宽度具有一定可控性的纳米沟槽, 然后通过 CVD 法在沟槽中外延生长石墨烯. 在石墨烯纳米带生长过程中, 由于纳米沟槽两侧台阶处成核所需要克服的势垒小于表面成核势垒, 所以通过控制生长温度、压强与生长气体流量比等因素, 可实现仅在 h-BN 纳米沟槽内生长石墨烯纳米带.

扶手型 锯齿形