石墨烯尺寸调控策略详解

实验表明，与石墨烯的表面相比，石墨烯的边缘表现出了更快的电子传递以及更高的电催化活性，这是由于尽管石墨烯内部平面为共轭体系，但石墨烯边缘暴露的碳原子具有游离的孤电子对，更容易与其他分子进行反应［63，64］。因此，为了有效地调节石墨烯的禁带宽度及催化活性，拓展石墨烯材料在纳米电子器件中的应用，对石墨烯进行尺寸调控是非常重要的研究内容。

图1.10　N，S双掺杂介孔石墨烯纳米片的合成［62］

1.石墨烯纳米条带

石墨烯作为二维平面结构可以通过各种方式进行“切割”，如刻蚀方法、化学方法等，从而实现对石墨烯结构的调控。Johnson课题组发现铁等金属的纳米颗粒能够沿着石墨烯平面晶轴方向进行刻蚀［65］。2008年，Dai课题组利用化学方法制备出了10 nm宽的石墨烯纳米条带（graphene nano-ribbons，GNR）的溶液（图1.11），该样品能够稳定的分散在溶液中，并且石墨烯纳米条带边缘呈现出锯齿状或者“椅”状结构。对其进行电子传递的测试发现，所制备的石墨烯纳米条带是半导体材料，将其做成石墨烯场效应晶体管，在室温下其开关比能达到107［66］。

2.石墨烯量子点

量子点具有诸多大尺寸材料所没有的特殊物理效应，如表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应等，使得量子点具有独特的光学性质，甚至具有宏观大块物体不具有的新的物理和化学性质［67-69］。因此，将石墨烯转变成石墨烯量子点有利于合成和设计独特性质和功能的新型器件。同时，量子限定和边界效应使零维结构的石墨烯量子点（graphene quantum dots，GQD）具有很多奇特的性质。(www.xing528.com)

图1.11　石墨烯纳米条带的分散液及表征

（a）聚合物PmPV/DCE和GNR稳定分散液的电子照片（左边），以及PmPV聚合物链吸附在石墨烯纳米带表面上的示意图（右边）；（b）具有50 nm宽的GNR的AFM图［66］

Pan研究小组采用水热法将氧化石墨烯切割成石墨烯量子点（直径在10 nm左右），该量子点大的边界效应使其具有蓝光发射的特性［70］。Li课题组利用硝酸先将氧化石墨烯切成小片氧化石墨烯，然后加入低聚物乙二醇二胺的表面钝化剂，最后用水合肼对其进行还原处理得到了GQD，该GQD具有较强的荧光性质［71］。本课题组利用电化学方法直接制备了具有功能化的GQD（图1.12），该量子点不仅具有统一的尺寸和绿光发射特性，而且在水溶液中具有极好的溶解性和分散性，可作为聚合物太阳能电池的电子受体材料［72］。

图1.12　石墨烯量子点的表征

（a，b）不同放大倍数的GQD透射电镜图；（c）GQD的尺寸分布图；（d）硅基底上GQDs的AFM图；（e）为图（d）中画线部分的高度图［72］