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《势点3》:另辟蹊径的石墨烯大师—刘云圻院士

刘云圻,物理化学家,中国科学院化学研究所有机固体实验室研究员,中国科学院化学部院士。刘院士的研究工作主要集中在分子材料与器件的合成与设计,在分子器件领域他总结发展出了一系列高性能分子材料的设计理念及性能调控方法。刘院士从器件应用需求的角度出发,另辟蹊径地提出了一系列石墨烯生长、刻蚀和掺杂的核心方法,今天我们要介绍的便是这位大师在石墨烯道路上的一次次突破。

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2009年,刘院士课题组的研究人员使用化学气相沉积法合成了氮掺杂石墨烯并对其电学性质进行了研究[1]。他们发现氮掺杂可以有效地调控石墨烯的电学性质,这极大地推动了石墨烯的研究与应用。随后,2012年他们又利用吡啶分子在铜箔表面的催化脱氢自组装,将氮掺杂石墨烯的生长温度降低到了300oC,这种方法制备出的高含氮量的掺杂石墨烯具有四边形的形貌特征[2]。上述两个工作成为了ESI高被引论文,其中前一工作截至目前被引次数高达一千两百余次,堪称石墨烯研究领域的经典之作。

2012年,他们利用熔化的铜表面的良好流动性及均匀性等特点,制备了规则排布的六边形石墨烯单晶,该成果在美国科学院院报(PNAS)上以封面标题的形式发表[3],并配发了碳材料领域国际著名专家Mauricio Terrones教授的专题评论。Nanotech Insights季刊也把此工作列为石墨烯的CVD法制备中一个“显著和创新性的成果”。

此外,为了避免石墨烯器件的加工过程中遇到的转移问题,刘院士课题组又发展了一种利用氧辅助催化直接在绝缘基底上制备高质量石墨烯的方法,并基于石墨烯在绝缘基底上的成核特性,发展出了一种新型的两步生长法,并在绝缘基底上获得了迁移率高达5000 cm2·V−1·s−1的石墨烯单晶,这为石墨烯基器件的制备加工解决了关键性的难题[4-6]

总之,虽然刘院士的大部分研究工作都集中于分子材料与器件领域,他从分子器件领域的角度,对石墨烯的生长目标提出了独到的见解,进而发表了一系列有关石墨烯生长的核心研究成果(如图)。这一系列研究成果解决了石墨烯领域从可控生长到器件制备中存在的关键性难题,同时也极大地推动了石墨烯相关的基础研究和实际应用。

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1. Wei, Y. Liu, Y. Wang†, H. Zhang, L. Huang and G. Yu, “Synthesis of N-Doped Graphene by Chemical Vapor Deposition and Its Electrical Properties”, Nano Lett. 2009, 9, 1752.

2. Xue, B. Wu, L. Jiang, Y. Guo, L. Huang, J. Chen, J. Tan, D. Geng, B. Luo, W. Hu, G. Yu, and Y. Liu, “Low Temperature Growth of Highly Nitrogen-Doped Single Crystal Graphene Arrays by Chemical Vapor Deposition” J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 11060.

3. Geng, B. Wu, Y. Guo, L. Huang, Y. Xue, J. Chen, G. Yu, L. Jiang, W. Hu, and Y. Liu, “Uniform hexagonal graphene flakes and films grown on liquid copper surface”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2012, 109, 7992.

4. Chen, Y. Wen, Y. Guo, B. Wu, L. Huang, Y. Xue, D. Geng, D. Wang, G. Yu, and Y. Liu, “Oxygen-aided synthesis of polycrystalline graphene on silicon dioxide substrates”, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 17548.

5. Chen, Y. Guo, Y. Wen, L. Huang, Y. Xue, D. Geng, B. Wu, B. Luo, G. Yu, and Y. Liu, “Two-Stage Metal-Catalyst-Free Growth of High-Quality Polycrystalline Graphene Films on Silicon Nitride Substrates”, Adv. Mater. 2013, 25, 992.

6. Chen, Y. Guo, L. Jiang, Z. Xu, L. Huang, Y. Xue, D. Geng, B. Wu, W. Hu, G. Yu, and Y. Liu, “Near-Equilibrium Chemical Vapor Deposition of High-Quality Single-Crystal Graphene Directly on Various Dielectric Substrates”, Adv. Mater. 2014, 26, 1348.


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