石墨烯和六方氮化硼纳米材料的改性

1、石墨烯和六方氮化硼纳米材料的改性特定的材料经过荣种特宦的fj式摻皋、疑合改性后通常会超越除有的性能,上现出漸颖的、汹在的物化杵能然阪用某吐特足的领域，为扛会的发展做川一定的贡献。目前，对纳米材料进行创新性、建设性的掺杂、复合改性已经引起了科学工作者越来越多的关注.纳米材料尤其疑层状纳米材料、通过某些特定的掺杂、复合改性后能够便原玄的纳米材料在性能和应用上得到一个塑大的究破性转变.从而将其用在很多新龍源方面尤英是在储能"耳叭光伏円、生物传感器叩等领域.结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定犍的笨六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高.表面呈请性状态，与其它介质（如溶剂磚）的根互件用较弱，并

2、且石墨烯层与层之间有较强的范德华力容易产生聚集，使其难溶于水及常用的有机溶剂，这给石墨烯的进一涉研究和应用造成了极大的困难。为了最大程度地发挥石昼烯的优异性能.必须通过石墨烯的功能化进行实现，石墨烯功能化以后，不仅可且提高其溶解性，而且可以赋于石墨烯新的特性，使其在聚合物复令材料.光电功能材料与器件以及生物医药等领域有很好的应用前景*目前已有很多研究报遺了从石墨中剥离出来的单层物质石墨捅在掺杂、复合改性方面的研究文献中通过不同的方式将球曲叽N跑等元素掺杂到石墨烯中，然后进一步探讨摻杂启的石農揮材料在锂离子储能电池、太阳能电池、电化学件感器、电容器等不同新能源领域的应用.与此同时，还有一部分研究

3、人员对石瞿烯的功能复合材料进行研究*他们通过不同的物理化学法将石墨烯与一些小分子、聚合物、无机纳来粒产和其它纳米材料进行复合.然后研究英电学、力学、光学和热性能方而的特点，从而将英用于催化*电予、能量储存和生物科技野爭种领域.层状六方鼠化硼的结构虽然与石雋烯类似.但是两者在本质上还是有很大区别的.首先.六方贏化硼是一种豐带隙绝缘材料；其次，与石墨烯中的CC共价悽相比较六方氮化硼中的健之间不仅有共价键的作用，还有一部分离子键的特征.即相邻氮化硼层间独持的lip-lip作用.而石墨烯相邻c层间的作用力相对比较弱，主要为范德华力.这就便得单层石墨烯的掺杂*复合改性相对比较羿易，而对六方氮化硼纳米片的

4、摻杂、复合改性仍是科研界面临的一个难题。如果六方氮化硼的上述两亍关键性问题能够迎刃而解，那么层状六方凰化硼纳米材料将会件为石墨烯之后的新一代新型材料而被广泛应用在各个领域.有科学家提出.如果能够通过一种持殊的方式将特定的元素掺杂到六方氨化越中，使六方熱化碍的带隙减小，从而达到从绝缘体到半导体的转变那么六方氮化硼将作为一种新材料在更多的领域得到更广泛的应用。隨着人们対六方風化硼纳米材料研究的不断深入有些科研工作者也对六方熬化硼的冥合材料进行了一定的研究.六方観化硼具有类似于石墨烯的（002）晶面取向生检强的机械强度、弹性模呈和高嗖热辱率*这就导致六方氮化碉纳米片与聚舍物复合后的一些性能得到一个显

5、著的提高.隧蒂纳米材料研究工作的不断深入，世界各国的研究超势正逐步由广泛探索纳米材料的制备转移到纳米材料单体的原位揀纵和性能研究和其有垂要应用帼最的纳米器件的制造方面心叽而纳卷材料单体原位操纵和性能研究是纳米器件设计与功能化的基础和关键.纳米材启的尺寸与光波液长、徳布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当，纳米材料包含的原子数大大下降，使得晶体匮期性的边界条件帔破坏，宏观固定的准连续能带转变为离散的能级，同时纳米材料表面层附近的原子密度减小，电子的平均自由程很短，而局域性和相下性增强“刈。这些特点共同导致纳米材料宏观的力、热、光、电、磁学等物理特性与常规材料区别很大，体现出量子尺寸效应

6、、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等.这些特性使得纳米材料目前己成为高集成、离通量和大功率等新功能签件的基础.新功能器件的设计与实现则耍求发展纳米材料单体原位操纵技术及对纳米材料单体性能进行深入的研究.然而.目前常规的技术和方法，包括现代微电子技术和微加工方法都难以对尺寸如此微小（0-100nm）、特定结构的纳米材料进行原位垛纵和性能研究，这就需要使用具有高空间分辨率的现代电子显微技术才能对纳米材料进行操纵和性能研究。纳米材料的在线电子显微学，就是在此背景下最新发展起来的最先进的对纳米材料单体进行原位操纵和物理性能研究的科学。它集现代电子显微技术、现代微纳米加工技术、器件物理于一体，属于国际

7、热点和前沿研究领域.纳米材料的在线电子显微学就是在高分辨透射电镜中，采用先进的样品台和数据分析系统，将外场（电、力和温度引入到单个纳米材料的特定部位，对纳米材料进行三维空间的操纵，在接近原子分辨的尺度上僚位研究纳米材料微结构、性能及其对外场的响应行为的动态研究过程".这在一定程度上给所研究的纳*材料创造一个器件化的模型环境，对于设计和构建新型纳米元器件具有非常車要的意义。最新发展起来的纳米材料在线电子显微学技术，有纳米材料单体原位力学性能（TEM-AFM）,原位电学性能（TEMSTM测量系统和纳米材料单体原位加热和冷冻系统.本文中我们主要是通过TEM-STM原位电学性能测虽系统对二维

8、层状纳米材料石墨烯、六方氮化硼纳米片的电学性能进行研究，因此本章重点介绍一下TEM-STM原位电学性能测就系统的仪器设备和分析测试操作过程。JEM2】00F足一款先进的透射电子显微镜，如图1-7（±）所示，它的主耍特点是可以快速地实现超高分辨率图像的观察，同时，还可以得到纳米尺度的结构、成分竽信息.JEM-2100F足新一代透射电子显微镜，使原子尺度的结构分析更简便，在材料学、医学和生物学的研究，以及半导体和制药工业中很存用.JEM-2100F的束斑尺寸在0.5nm以下，在同类200kV透射电子显微镜中，它的分析功能嚴强、获得的图像质量最高.最新型的侧插式测角样品台，便于样品的倾斜、

9、旋转、加热、冷却和多点程序设定，且不会造成机械飘移。TEM-STM样品台（型号：ST1000,图】7下微操纵测蛍系统是由微操纵器、控制器、数拯处理器组成列我们把样品放在探针（图17下中sample）或尖端（tip）上，然后放在TEM-STM样品杆上，放在TEM内.操纵器的驱动单元是由压电陶瓷构成的纳米马达，通过控制器输入的伯号驱动纳米马达，从而带动系统在X、Y、Z三个方向的移动（三维移动精度与行程分别达到0.1A与亳米级九最后，实现测试样品连接在TEM-STM样品杆的两级之间。纳米单体样品上可加电压的范岡是±140V,操纵器采集的俏号反馈到数据处理器中，从而实现对样品的电学性能的实时

10、测量。nanomateriaksapphireballDCAi;GdpAu-f>irepiezodrivenstage图1-7JEV1-2100F透射电子显微镜（上）和TEM-STM纳米材料单体原位物理性能测屋样品台（下九利用TEM-STM原位电学性能测破系统来精确地进行纳米材料的操纵.研究纳米材料的结构与电学性能.为纳米材料的器件设计提供技术保证，并且为纳米益件功能化提供技术评佔，推动纳木材料走向人心的实阿应用，推动科7技术创新和人类社会文明进步二维层状六方氮化硼、碳纳米材料由于其特殊的结构特征和晶格参数得到了科研界相关课题研究学者的关注.石墨烯的研究己经取得了一定显善的成果，然而，二

11、维层状六方氮化硼纳米片由于其类似于石墨烯的结构特征参数，虽然也引起了科研界的关注，但却未能像石墨烯那样得到广泛而深入的研究.这主要是因为二维层状六方氮化硼纳米片口身区别于石墨烯的一些特性导致.首先，六方氮化硼是-种宽带隙绝缘材料，带隙约为-4-6eV,要选择一种合理恰当的方法使制得的六方氮化硼的带隙尽可能小，或通过其它方法使六方氮化硼的带隙减小是一个难题；其次，己有研究报道指出，减小六方氮化硼纳米片的层数，并且对少层六方氮化硼纳米材料进行复合掺杂改性能够有效地解决上述问题，但是六方氮化硼B-N键之间不仅冇共价键的作用，还有一部分离子键的特征，即相邻氮化硼层间独特的lip-lip作用.因此，要找出一种简便又有效的方法足一个关键性的问题；最重要的是，即使六方氮化硼的带隙结构