Новости ХПУ (текст Институтахимической технологии). Недавно группа профессора Юй Мяо из Института химической технологии и химии нашего университета добилась значительных успехов в функционализации графена. Эта работа является первым примером фотоиндуцированной точной функционализации графена. Ширина запрещенной зоны графена открывается путем тонкой настройки режима локальной гибридизации. Впервые функционализация двумерного дальнего порядка графена была реализована в атомном масштабе, что дает эффективное решение ключевых проблем двумерного материала на основе графенав применении электронных устройств и оптоэлектронных устройств. Соответствующие результаты исследования озаглавлены: «Дально-порядочный и атомно-масштабный контроль за гибридизацией графена с помощью фотоциклоприсоединения» (англ. “Long-range ordered and atomic-scale control of graphene hybridization by photocycloaddition”), доступно онлайн 19 октября 2020 г. Публикуется во всемирно известном академическом журнале “Nature Chemistry” («Химия природы»). Профессор Юй Мяо – первый автор (автор-корреспондент) статьи, ХПУ – первая организация авторства, главный научный советник по химической технологии и химии нашего университута, а также почетный директор Международного исследовательского центра многоуровневого интерфейса Харбин-Орхус (HAISI), академик Флемминг Бесенбах (Flemming Besenbacher) является соавтором-корреспондентом.
Как первый в мире настоящий двумерный материал, графен является не только самым тонким и самым твердым двумерным материалом, но также обладает превосходной электропроводностью, теплопроводностью, оптическими свойствами и стабильностью. Он широко используется в области аэрокосмонавтики, солнечной энергии, прозрачныхсенсорных экранов, электронных элементов, зондов-датчиков, биомедицины, носимых устройств и высокоэффективных композитных материалов. В частности, графен обладает сверхвысокой подвижностью электронов при комнатной температуре, и ожидается, что он сможет заменить традиционные материалы на основе кремния в области микроэлектроники и суперкомпьютеров.Однако нулевая ширина запрещенной зоны графена ограничивает возможности его практического применения. Хотя за последние десять лет появилось много методов функционализации графена для открытия запрещенной зоны, таких как легирование посторонних атомов, модификация наночастиц, производство наноструктурированного графена, поверхностная адсорбция, дально-порядочная и атомно-масштабная точная модуляция локальной гибридизации графена по-прежнему остается мировой проблемой.
В этой работе используются исследования молекулы BCM с группами малеимида и дикарбоновой кислоты для формирования полностью покрытой двумерной протяженной упорядоченной сетки на поверхности одного слоя графена с межмолекулярными двойными водородными связями. В этих условиях запускается фотоиндуцированная реакция циклоприсоединения между молекулярной сеткой и основной поверхностью графена (рис. 1). Результаты сканирующего туннельного микроскопа, инфракрасной абсорбционной спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, рамановской спектроскопии и расчета функционала плотности показывают, что реакция включает [2 + 2] и [2 + 4] циклоприсоединения, а реакционные участки обладают высокой пространственной избирательностью. Расположенные в двумерном дальном порядке с определенной симметрией и периодичностью (2,65 нм) (рис. 2), возникновение реакции и формирование массива не зависят от полос графенового муара.Эта фотореакция может точно модулировать режим локальной гибридизации графена, изменять электронную структуру графена и эффективно вводить запрещенную зону (170 мэВ, рис. 3). В отличие от методов запуска реакции, используемых предшествующими исследованиями, таких как длительное погружение, нагревание, электрический импульс и давление зонда, фотореакция не только обеспечивает практическое решение для высоких эндотермических реакций, но также имеет простоту, дистанционное управление и совместимость других связанных с оптикой технологий (таких как фотолитография) больше способствует практическому применению в электронике и оптоэлектронных устройствах.
В качестве первого примера реакции графена с молекулярными сетками, эта работа открывает эффективный способ точной и дально-порядочной модуляции электронной структуры графена, что имеет большое значение для дальнейшего развития реакций синтеза на поверхности, индуцированных светом. В то же время, это точное регулирование локальной гибридизации и дальнего порядка графена после функционализации, проложило путь для разработки передовых устройств наноэлектроники и оптоэлектроники на основе графена.
Рисунок 1 Принципиальная схема реакции фотоциклоприсоединения между однослойным графеном и молекулами BCM
Рисунок 2 Изображение с помощью сканирующего туннельного микроскопа и теоретическая модель после реакции циклоприсоединения молекулярной сетки и графена
Рисунок 3 Влияние реакции фотоциклоприсоединения на поглощающее колебание и зонную структуру графена.
Исследования финансировались Национальным фондом естественных наук Китая (21473045) и независимым проектом Государственной ключевой лаборатории водных ресурсов (2018DX04). Исследовательская группа профессора Юй Мяо долгое время занималась разработкой и исследованием характеристик функциональных углеродных материалов, последовательно занимаясь точной функционализацией фотоиндуцированного графена, поверхностным синтезом графеноподобных двумерных однослойных полимеров и углеродных материалов в опреснении морской воды и применении энергетических батарей. Прорывные результаты достигнуты и по другим направлениям. Соответствующие результаты были опубликованы в таких журналах, как Nature Communications, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Nano Letters, Nano Energy идругихнаучныхизданиях.
Ссылканаоригиналстатьи: https://www.nature.com/articles/s41557-020-0540-2
