基底诱导石墨烯的化学修饰及二维超晶格的制备

AMliuzhongfan石墨烯是一种由sp2碳原子组成的二维蜂窝状晶体,具有极高的载流子迁移率、良好的机械强度和透明性等诸多优异的性质,引起了人们的广泛兴趣。石墨烯的化学修饰在调控石墨烯性能、表界面改性、制备石墨烯衍生物和拓展石墨烯的应用等诸多方面均有重要意义。作为一个二维平面大分子,石墨烯中所有的原子均暴露在表面,提供了丰富的化学反应位点,也为构筑基于化学修饰的石墨烯的二维超晶格材料提供了可能性。然而石墨烯的化学性质十分稳定,平面共轭π键的存在使得石墨烯的化学修饰需要克服巨大的反应能垒。当前的石墨烯修饰手段主要是使用高活性的反应物种,如自由基、卡宾、氮宾等。这些高活性反应物种在实现石墨烯化学修饰的同时也增加反应的不可控性,因此当前方法得到的化学修饰的石墨烯的结构大多是无序的、随机的。

北京大学化学学院刘忠范教授及其研究团队在基底调控石墨烯化学性质方面取得了重要进展。他们发展了一种非掩膜的制备二维周期性石墨烯超晶格的方法。通过将石墨烯转移到周期性基底如二氧化硅小球阵列上,利用退火过程,增加基底与石墨烯的作用,再通过化学反应选择性地对基底支撑的石墨烯进行了化学修饰,成功构筑了石墨烯/化学修饰石墨烯的二维周期性结构。此种利用基底诱导的定域共价修饰方法具有普适性,通过改变基底的尺寸、形貌和修饰方法,可以得到不同二维周期性结构。

该方法可设计制备不同结构和功能的石墨烯超晶格,用于制备石墨烯基电学、光电器件,化学/生物传感器以及研究二维石墨烯超晶格丰富的物理性质。相关工作发表在近期的Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201505360)上。