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低维碳材料的拉曼光谱学研究

发布日期: 2017- 12- 25 字体:[ ]

获奖项目:低维碳材料的拉曼光谱学研究

主要完成人:张锦(北京大学),刘忠范(北京大学),童廉明(北京大学),彭海琳(北京大学)

推荐单位:专家推荐

获奖等级:国家自然科学奖二等奖

项目简介: 

碳纳米管和石墨烯等低维碳材料有望在未来半导体、微纳电子和能源等领域发挥核心作用,是主导未来高科技产业竞争的战略材料。对其基本结构与性质的深入研究是能否取得引领性和原创性研究突破的关键环节。拉曼光谱技术在低维碳材料的发现以及结构与性能的研究中发挥了不可替代的重要作用。该项目以低维碳材料的拉曼光谱学研究为主线,关注低维碳材料结构与物性的微区拉曼表征、石墨烯增强拉曼散射和低维碳材料能带调控中的电子-声子耦合特征等基本科学问题,在科技部纳米重大研究计划和国家自然科学基金委的支持下,开展了持续而系统的研究,取得如下主要成果:

1)发展了单壁碳纳米管的结构控制制备方法及其结构与物性的微区拉曼光谱表征技术:针对单壁碳纳米管手性控制生长及其结构表征这一世界难题,发展了单壁碳纳米管结构与物性的微区拉曼光谱表征方法,实现了单壁碳纳米管的金属/半导体性和手性结构的高分辨定量研究,获得了单根单壁碳纳米管的生长速度和温度系数等本征物性参数;在此基础上,提出了手性控制的“碳基催化剂”概念和单壁碳纳米管的克隆生长方法,突破了传统的“气-液-固”生长模型,建立了新的“气-固”生长模型,从而实现了单壁碳纳米管手性控制的突破。

2)发明了石墨烯增强拉曼光谱技术:针对表面增强拉曼光谱技术在定量和微量检测中信号不均一这一长期挑战,提出了石墨烯增强拉曼散射的概念,证明了石墨烯增强拉曼散射的化学增强机制;发展了高品质石墨烯的偏析与Ni-Mo等合金催化化学气相沉积制备技术和石墨烯的无损转移技术,获得了严格单层的大面积石墨烯;在此基础上发展了基于石墨烯的柔性拉曼散射增强基底的制备方法,首次实现了任意形貌表面上痕量物种的直接检测,为表面增强拉曼散射的定量研究开拓了新的思路。

3)发展了低维碳材料能带调控与拉曼光谱研究方法:提出了单壁碳纳米管能带结构的应力调控方法,研究了不同形变下碳纳米管能带结构与其电子-声子耦合特征的关联性,首次证实了应力条件下碳纳米管能带结构随手性的变化规律;提出了低维碳材料能带结构的光化学调控方法,实现了石墨烯的片层裁剪、逐层减薄、石墨烯到氧化石墨烯的定域转化以及碳纳米管从金属性到半导体性的转化等系列调控方法,为低维碳材料在未来电子器件中的应用奠定了基础。

该项目共发表论文82篇,其中8篇代表性论文包括Chem. Soc. Rev. 1篇、Acc. Chem. Res. 1篇、J. Am. Chem. Soc. 2篇、Proc. Natl. Acad. Sci. 1篇、Adv. Mater. 1篇和Nano Lett. 2篇,论文他引1138次,其中3篇入选ESI高引用文章。这些论文在Chem. Rev.、Nature、Science、Nat. Chem.、Nat. Photonics、 Nat. Nanotechnol.和Chem. Soc. Rev.等刊物中有大量的正面评述。此外,相关成果也获得了Nature China、C&E News、NPG Asia Materials等重要学术媒体的高度评价。相关成果受邀在国际会议上作邀请报告20人次。授权专利16项。

单壁碳纳米管的控制制备与微区拉曼光谱的定量表征


基于石墨烯的平整基底拉曼散射增强技术


纳米碳材料能带的应力和光化学调控规律及其拉曼光谱研究


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