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石墨烯與有機材料複合應用前景将更廣闊

以碳為基的石墨烯在“後矽時代”更易與有機材料複合,進行無縫融合,這将使其在柔性電子學、傳感和生物醫學方面有更廣闊的的應用前景。

有機分子附着于石墨烯上,通過超分子作用與二維材料弱連接。

來自歐洲石墨烯旗艦的化學家們評估了石墨烯—有機複合材料在電子工業中的潛力。研究人員展示了有機半導體怎樣用來更好的加工石墨烯,并且為了特殊的應用需要調整它的性質。

作為最有名的二維材料,石墨烯的性質使它在力學、光學、電子學方面具有全方位的魅力。實現石墨烯的工業化生産是一個挑戰,然而為适應特殊功能而調整它的性質也是困難的。懷着同時解決這兩個問題的希望,研究人員将興趣轉向了石墨烯與特制有機半導體的相互作用。

化學家對有機分子在納米技術中的應用一直很感興趣,更小的有機分子能夠使裝配碳納米材料的分子進入高度有序的體系結構,比如納米纖維、晶體和單分子層。另一方面,聚合物中的碳原子骨架能夠導緻更多無序的大範圍裝配,但是聚合物瘦長靈活的構型有利于提高溶解度并使電荷有效運輸。

石墨烯可擴展的加工和功能化是一篇專題文章的主題,這篇文章由三個石墨烯旗艦的科學家在英國皇家化學協會的期刊Journal of Materials Chemistry C上所寫。石墨烯旗艦是一個學術和工業合作的國際财團,它由歐洲委員會提供部分基金,聚焦于石墨烯和相關二維材料的發展。

Andrea Schlierf, Paolo Samorì 和Vincenzo Palermo調查了許多工業聚合物産品,檢查它們的機械和電學性質在附加石墨烯後能否有所改善。作者也考慮将石墨烯作為一種酶作用物應用于生物醫學,并且使用有機半導體可以打開石墨烯中的電子帶隙。而這種高導電性材料帶隙的缺失是妨礙它應用于電子工業的主要問題。

将小的有機分子沉積在一個平坦的碳表面例如石墨稀,可以通過一種外部無取向的化學工藝來調整表面,這種工藝被稱為自組裝。有許多類分子可以用來實現這個目的,從小的烷烴到更大的芳香烴。在任何情況下自組裝都是由分子間和分子與襯底間的複雜相互作用所驅動。

實驗結果表明有機半導體在石墨烯上成核、定向和包裝是相當不同于生長在那些常規襯底上比如矽或石墨。往有機分子骨架上增加化學側鍊也能顯露功能,使吸附分子和石墨烯之間的相互作用增效或者減弱,這也将導緻更加複雜的自組裝路徑。

在真空中用有機分子來包裝石墨烯是一回事,但一談到功能化和成本,可溶的石墨烯—有機混合系統有着比用化學氣相沉積或外延生長得到的石墨烯更明顯的優點。石墨烯—有機懸浮液能夠用大面積的沉積技術比如噴墨印刷來處理,同時在有機溶劑中用液相剝離來生産石墨烯。這是石墨烯制造的現實主義途徑,這個過程是便宜的、有效的和高度可擴展的。

另一個最近由三位審稿作者貢獻的學術出版物為這種以液體為基的石墨烯剝離法提供了一個例子。在一篇物理學會期刊發表的論文中,Schlierf和她的同事描述了用靛蒽醌藍色磺酸鈉鹽——一種簡稱為IBS的普通工業染料在石墨烯納米片晶中進行剝離、加工和包含的方法。

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