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石墨烯的表面改性方法有哪些

鉅大LARGE  |  點擊量:949次  |  2019年06月11日  

摘要
石墨烯因其優異的性能被廣泛應用于納米電極、超級電容器、生物感應器、藥物傳遞、太陽能電池、氫氣儲存、晶體管、聚合物納米復合材料等領域。

石墨烯因其優異的性能被廣泛應用于納米電極、超級電容器、生物感應器、藥物傳遞、太陽能電池、氫氣儲存、晶體管、聚合物納米復合材料等領域。但是結構完整的石墨烯片層表面呈惰性,片層間容易因較強的范德華力而發生團聚,因此難以均勻分散于水及常用的有機溶劑。為了能充分利用石墨烯的優異性能,改善其可成型加工性,需要對石墨烯進行表面改性,改善其溶解性以及在基體中的分散性。

石墨烯的表面改性

石墨烯的改性一般都是改性更容易操作的氧化石墨烯。與物理改性方法相比,用化學的方法改性石墨烯更加常見,效果更穩定。而化學改性方法通常又分共價鍵改性和非共價鍵改性兩種。

共價鍵改性

共價鍵改性是將功能化基團與氧化石墨烯表面的“含氧基團”進行“縫合”,由于氧化石墨烯上存在羧基(-COOH)、羥基(-OH)和環氧基(-O-)、羰基(C=O)等活性基團,能與一些小分子或大分子之間反應,因而可以利用這些基團與其他分子之間的化學反應對石墨烯表面進行共價鍵功能化;除此之外,還應有石墨烯原位(G)的共價鍵改性。

非共價鍵改性

除共價鍵功能化外,還可通過非共價鍵連接方法對石墨烯表面進行功能化,即可用π-π相互作用、離子鍵以及氫鍵等超分子作用使石墨烯表面得到修飾,從而提高石墨烯的分散性。由于石墨烯本身具有高度共軛體系,其易于與同樣具有π-π鍵的共軛結構或者含有芳香結構的小分子和聚合物發生較強的π-π相互作用。但會引入其它組分,比如:生物大分子、表面活性劑、離子液體、納米粒子等。

石墨烯的電子性能改性

為了更好地將石墨烯這種具有優良物理性能的材料利用到半導體電子器件領域,需要對其電子結構進行適當的控制以調節其電子性能。目前,可通過摻雜和離子轟擊方法來改變石墨烯的電子性能。

摻雜

摻雜可完全改變半導體的基本特性,并有效控制半導體納米晶體的光、電、磁學特性,直接促使高效率新型光電子器件的實現,為納米晶體的廣泛應用提供了巨大空間。該方法也可用來擴展石墨烯在光電子器件領域的應用。

大量研究表明石墨烯摻雜是調控石墨烯電學與光學性能的一種有效手段。例如Wei等采用化學氣相沉積(CVD)方法成功制備了氮摻雜石墨烯,對該氮摻雜石墨烯的電學性能進行檢測后發現其具有n型半導體的特征。

離子轟擊

另一種改變石墨烯電子性能的方法是離子轟擊,即賦予離子一定的初始能量,使其轟擊石墨烯靶材。轟擊會導致石墨烯中缺陷(如空位、納米孔、取代缺陷、吸收缺陷等)的產生。石墨烯中這些缺陷的存在會導致其電子運動狀態發生變化,例如,石墨烯中空位的存在會使其費米能級附近的電子狀態發生根本性變化。Al-harthi等用1keV的Ar+轟擊石墨烯表面,結果表明離子轟擊使得不同振幅和周期性的褶皺結構出現,導致石墨烯中的電子狀態發生變化,即sp2鍵轉化為sp3雜化狀態。該研究說明離子轟擊能改變石墨烯的電子能帶結構,進而影響其電子性能。?

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