2011-2015年中国石墨烯产业投资分析预测报告

性质。    主要创新点和特色: （1）建立具有自主知识产权的宏量制备石墨烯的新技术，并能实现对所得石墨烯材料结构、尺寸、形貌及性能的有效控制。（2）完善和发展石墨烯的结构与性能表征、分离与提纯技术，为宏量石墨烯的质量控制提供技术保证。（3）提出自下而上的化学方法来制备结构和性质可控的石墨烯材料，为研究石墨烯结构与性能的关系提供材料基础。      可行性分析：本项目的前期工作表明，化学剥离方法是实现石墨烯宏量制备的有效手段。我们采用石墨作为原料已成功地实现了百克量级石墨烯的制备，并通过控制氧化剂品种、用量以及反应条件，初步实现了对所得石墨烯层数和尺寸的控制。尚缺的是对结构和边缘基团的有效控制，如果对反应机理和工艺获得进一步深入的理解、控制和优化，结合目前工业上使用的先进合成工艺技术，完全有可能实现公斤级和结构可控的石墨烯制备。另一方面，利用化学合成技术已经在溶液和金属表面实现了自下而上地石墨烯纳米带或纳米片的化学合成。在优化合成路线和分子设计的基础上，将有希望实现对石墨烯片组成，表面或边缘结构以及光电性能的有效控制。此外，化学气相沉积CVD方法制备石墨烯的最大优点是能够有效控制催化剂的结构、位臵、表面化学性质及石墨烯生长热力学和动力学，通过对催化剂的选择和处理以及在石墨烯生长过程中改变原料组成、反应气氛、温度等可以实现石墨烯结构和组成的控制。结合石墨烯结构及形态控制的前期工作，完全有可能实现石墨烯的宏量可控制备。总之，在对石墨烯制备方面现有认识的基础上，采用以上新思路、新方法对其生长和制备过程进行控制和工艺优化，可望在石墨烯（带）的结构控制和宏量制备方面取得突破。这些工作已经部分申请了国家专利，并在Nature, Angew. Chem., Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater. 等杂志上发表了系列研究论文与综述论文。 2．石墨烯的表面控制生长、化学剪裁及物性测量  面向石墨烯未来的电子学应用，将利用金属薄膜上偏析生长（刘忠范课题组发明）技术和碳化硅上外延生长技术（de Heer小组发明的高真空高频加热炉生长法），实现大面积、高质量、层数可控石墨烯制备。将采用活性物种或单分子自组装膜对石墨烯进行可控切割。基于石墨烯共轭体系与含有芳香基团的有机分

子的π-π相互作用，通过蘸笔和微接触印刷的方法在石墨烯表面进行定位修饰，最终实现对石墨烯能带的调制。将以聚酯膜为媒介，高效、便捷地将高温下制备的石墨烯从特定基底上无损地转移到任意目标基底。将使用可控裁剪和化学修饰的石墨烯纳米结构制备全碳基石墨烯柔性电子和光伏器件，并研究其集成的可行性。通过实验和计算模拟相结合，研究基底上单原子层生长的热力学和动力学；基底的表面结构、杂质及缺陷态对生长过程的调控和影响；石墨烯与基底及覆盖层的相互作用。通过测量石墨烯低温电子输运性质随温度、磁场的变化关系，计算电子的弹性、非弹性散射时间等重要参数，从而在微观上研究基底、表面介电薄膜及杂质对电子输运的影响，为器件制作和封装提供指导。  主要创新点和特色是：（1）建立一种或多种大面积、层数可调、高迁移率石墨烯晶圆可控制备新技术。（2）系统研究材料制备、修饰、转移、裁剪、性能调控等，为研制石墨烯电极及电路探索道路。（3）具有理论与实验结合，基础与应用结合以及多学科交叉的明显特色。  可行性分析：本团队在大面积石墨烯的可控合成，功能调控及理论探索等方面开展了系列研究，并初步取得了一些重要进展。如：发明了金属薄膜上偏析生长技术，并发展了CVD表面控制生长技术；对碳化硅上外延石墨烯的生长，发展了在缺陷浓度、载流子迁移率等关键参数上世界领先的高真空高频加热炉生长法；研究了石墨烯中狄拉克电子的量子输运行为，国际上首次观测到对石墨烯电子输运有重要影响的去弱局域化现象；研究了石墨烯对荧光光谱的影响，以及石墨烯作为二维电极对有机纳米晶体管光响应的调控。在计算模拟方面，我们研究了石墨烯在外加电场下的极化效应和对气体分子的吸附能力，研究了半氢化石墨烯的铁磁性行为；探讨了H和F 对石墨烯表面的共修饰所产生的二维Janus各向异性，以及全氢化的石墨烯在外加电场中的行为特性，我们还系统研究了与石墨烯类似的B-N单原子层在不同表面修饰和应力应变下所表现出的丰富的电子结构和磁学特性。这些研究成果发表在包括 Science, Phys. Rev. Lett., J. Am. Chem. Soc., PNAS, Nano Lett.等重要学术刊物上，为该课题的开展奠定了坚实的基础和起了一个良好的开端。 3．石墨烯的结构与性能调控  

将以化学合成具有特定结构和组成的石墨烯片以及通过尺寸分离的化学转化石墨烯为模型，通过实验与理论计算结合研究不同尺寸、结构和组成石墨烯的能带结构、导电性和光学性能。研究其尺寸效应、掺杂作用和结构特性。在石墨烯自组装结构和复合材料方面，将系统研究石墨烯片之间的相互作用，特别是石墨烯片的尺寸对其薄膜或大块材料的微观结构的影响。系统探索和分析石墨烯二维和三维组装过程中的驱动力，包括-相互作用，氢键作用，静电作用，亲疏水相互作用和配位相互作应等。分析石墨烯的边缘结构以及表面组成对稳定其它纳米材料的影响，深入探讨复合材料中的界面相互作用以及各组分间的协同相互作用。另一方面将第一原理计算、多尺度建模技术和机电磁耦合实验技术相结合，研究石墨烯边缘态和缺陷态的结构稳定性，边缘态和缺陷态变化导致的奇异物性；研究多种功能基底、封装衬底、覆盖层等对石墨烯结构、电学、自旋磁性、边缘态以及热力学性能的影响。发现可以利用的新性质和新行为，揭示基底上石墨烯电子能带结构变化、能隙打开、磁电效应等性能调控的原理和机制。与结构表征和电磁测控实验研究相配合，探索石墨烯边界形貌稳定、结构尺寸可控的原理和实现途径，制备具有新原理的自旋磁性石墨烯纳米器件，探索其室温稳定性和调控性。      主要创新点和特色是：（1）系统总结石墨烯的尺寸效应，表面和结构特性以及在复合材料中的界面与协同作用将加深对石墨烯的认识，是知识创新的重要源头。（2）探讨边缘态、缺陷态以及功能基底对石墨烯性能的影响是本课题的特色。（3）实验和理论研究结合，相互补充和验证是本课题的另一特色。   可行性分析：近十年来，本团队在化学合成不同尺寸和结构的石墨烯方面取得了系列重要进展。这些石墨烯材料将成为实验和理论研究的模型。初步研究了不同尺寸和组成石墨烯片的管状和平面组装，初步分析了其尺寸效应。集中从事了碳纳米材料局域场与外加作用和外场的纳尺度多场耦合的理论和实验研究，发展了碳纳米材料物理力学理论和多学科交叉融合的计算方法，在国际上率先开展实际基底上石墨烯纳米结构的物性研究，发现了石墨烯的巨电致变形效应和基底上偏压调控的磁电效应，揭示了基底上双层和多层石墨烯能带调控和p-n转化的物理机制，在石墨烯理论、器件原理、制备等方面有着厚实的知识和技术积累。所发现的硅基体上石墨烯纳米带所具有的奇异双段线性磁电效应，是首次在碳－

将以化学合成具有特定结构和组成的石墨烯片以及通过尺寸分离的化学转化石墨烯为模型，通过实验与理论计算结合研究不同尺寸、结构和组成石墨烯的能带结构、导电性和光学性能。研究其尺寸效应、掺杂作用和结构特性。在石墨烯自组装结构和复合材料方面，将系统研究石墨烯片之间的相互作用，特别是石墨烯片的尺寸对其薄膜或大块材料的微观结构的影响。系统探索和分析石墨烯二维和三维组装过程中的驱动力，包括-相互作用，氢键作用，静电作用，亲疏水相互作用和配位相互作应等。分析石墨烯的边缘结构以及表面组成对稳定其它纳米材料的影响，深入探讨复合材料中的界面相互作用以及各组分间的协同相互作用。另一方面将第一原理计算、多尺度建模技术和机电磁耦合实验技术相结合，研究石墨烯边缘态和缺陷态的结构稳定性，边缘态和缺陷态变化导致的奇异物性；研究多种功能基底、封装衬底、覆盖层等对石墨烯结构、电学、自旋磁性、边缘态以及热力学性能的影响。发现可以利用的新性质和新行为，揭示基底上石墨烯电子能带结构变化、能隙打开、磁电效应等性能调控的原理和机制。与结构表征和电磁测控实验研究相配合，探索石墨烯边界形貌稳定、结构尺寸可控的原理和实现途径，制备具有新原理的自旋磁性石墨烯纳米器件，探索其室温稳定性和调控性。      主要创新点和特色是：（1）系统总结石墨烯的尺寸效应，表面和结构特性以及在复合材料中的界面与协同作用将加深对石墨烯的认识，是知识创新的重要源头。（2）探讨边缘态、缺陷态以及功能基底对石墨烯性能的影响是本课题的特色。（3）实验和理论研究结合，相互补充和验证是本课题的另一特色。   可行性分析：近十年来，本团队在化学合成不同尺寸和结构的石墨烯方面取得了系列重要进展。这些石墨烯材料将成为实验和理论研究的模型。初步研究了不同尺寸和组成石墨烯片的管状和平面组装，初步分析了其尺寸效应。集中从事了碳纳米材料局域场与外加作用和外场的纳尺度多场耦合的理论和实验研究，发展了碳纳米材料物理力学理论和多学科交叉融合的计算方法，在国际上率先开展实际基底上石墨烯纳米结构的物性研究，发现了石墨烯的巨电致变形效应和基底上偏压调控的磁电效应，揭示了基底上双层和多层石墨烯能带调控和p-n转化的物理机制，在石墨烯理论、器件原理、制备等方面有着厚实的知识和技术积累。所发现的硅基体上石墨烯纳米带所具有的奇异双段线性磁电效应，是首次在碳－

能材料提供指导。（3）系统研究二维石墨烯片与一维高分子链或碳纳米管在自组装和复合行为之间的异同点是该课题的另一创新点。  可行性分析：近年来，本团队在这一方面已经取得了初步的研究进展，例如，通过化学方法成功制备了一系列不同结构的类石墨烯分子材料，并进一步组装成一维、二维、三维炭基功能材料，测试了这些材料在催化、锂离子电池、超级电容器等方面的性能，成功制备了透明导电石墨烯膜并用于太阳能电池的窗口电极；利用化学法制备的石墨烯片组装了具有良好透光性和导电性的大面积透明电极、柔性膜和水凝胶，并将石墨烯纳米结构用于汞离子的快速光学检测中；用非共价修饰技术制备了聚（3,4-二乙氧基噻吩）(PEDOT)与单层石墨烯片的复合膜，用作染料敏化太阳能电池的对电极。制备了N-掺杂的石墨烯用于催化氧气还原石墨烯片。利用水热和化学还原技术制备了石墨烯水凝胶。这些水凝胶具有高的力学强度，导电性和热稳定性。部分水凝胶具有pH、离子响应性和自修复功能。研究工作发表在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Int. Ed., Nano Lett., Adv. Mater., ACS Nano等重要学术刊物上，这些研究成果证明技术方案可行。  5．石墨烯基材料的应用研究  将结合自组装和纳米复合技术制备得到具有大比表面积和高导电性的石墨烯材料。在这类材料中石墨烯作为导电组分和材料骨架结构。因此，无需添加高分子粘合剂和导电纳米粒子就可以制备成大块或大面积电极用于制作超级电容器等能源相关器件。同时这类电极具有高度的柔顺性，可以裁剪、折叠成所需要的形状。通过化学共价连接可以在石墨烯片上修饰各种电化学活性管能团（如：对苯二酚，双硫键）可进一步提高电容器的法拉第电容。通过构建三维网络结构以改善材料中电解质扩散速度，提高电容器的快速充放电性能。利用石墨烯的高载流子迁移率可以制成超高速器件，将在制备高迁移率石墨烯的基础上，发展保持其迁移率的器件制备工艺，制备高速器件。石墨烯中电子的一大特点就是具有赝自旋及与之相关的手性，利用这一性质，有可能发展出与传统电子器件工作原理完全不一样的新型电子学和赝电子学器件，将研究用电场、磁场对石墨烯电子进行有效量子调控的方法，利用这些方法研制新型磁电调控器件。研究具有高载流子迁移率的大面积石墨烯室温量子效应，并研制出相应的量子器件。

主要创新点和特色是：（1）利用石墨烯三维网络结构作为超级电容器的电极材料是本课题的创新，该电极具有不含高分子粘合剂和导电纳米粒子，同时具有可加工裁剪和柔性可折叠的特色。（2）利用石墨烯的赝自旋性质，制备新型量子器件。（3）利用具有高载流子迁移率的大面积石墨烯薄膜制备相应的量子器件。  可行性分析：本团队一直从事基于石墨烯的新能源器件的系统研究。制备了各种石墨烯纳米薄膜材料用透明导电电极，或利用石墨烯作为电子接受体制备了高分子混合异质结太阳能电池。制备了导电高分子与石墨烯的复合材料用作燃料敏化太阳能电池的对电极。化学合成了碳化氮与石墨烯的复合材料作为氧气还原催化剂用于燃料电池。这些电极和催化剂的性能可以和常规白金电极与催化剂的活性相比。利用石墨烯纳米结构及其复合材料或水凝胶研制了各种高性能超级电容器件，这些器件具有高的容量，优越的充放电性能和循环寿命。通过设计材料的结构，将石墨烯片以特定方式排列组装得到了具有优良倍率性能的锂离子电池。利用氧化石墨烯的半导体性质在碳化硅表面外延石墨烯上制备了晶格连续的全碳石墨烯异质结及器件；发明了一套光刻工艺，在外延石墨烯上成功制备纳米晶体管阵列。这些研究结果形成了二十多篇研究论文，发表在Nat. Nanotechnol., Phys. Rev. Lett., Angew. Chem., Int. Ed., Nano lett., Adv. Mater., ACS Nano, Chem Comm. 等学术期刊上，并得到广泛引用。另一方面我们，在高性能石墨烯薄膜和磁性材料方面也有扎实的研究基础。因此，研究方案具有可行性，相信在项目经费的资助下，各项目组的协同配合下将会取得一系列创新性成果，使其中至少一种器件得到产业化。 设臵四个课题开展研究工作：  课题1：石墨烯的可控宏量与大面积制备 主要研究内容：  本课题致力于宏量制备高质量结构可控的石墨烯材料以及具有高载流子迁移率的石墨烯晶圆材料。建立材料的制备，性能调控与测量方法；发展其裁剪、转移技术，系统研究其相关的基础科学与技术问题。（1）对现有的化学剥离方法进行优化筛选。选用不同的氧化剂、插层剂及反应条件，同时结合其它手段如预

插层、化学膨胀、微波超声等，获得层数、结构、大小和边界取代基可控的石墨烯宏量化学剥离制备方法。（2）利用超级离心，选择沉淀与微相分离等手段实现对具有不同尺寸与组成石墨烯的有效分离。（3）探索金属薄膜偏析、碳化硅热解法和CVD法生长大面积、高迁移率的石墨烯的新技术。（4）发展自下而上的化学方法，利用结构确定的芳香有机小分子在基质表面脱氢交联来制备结构、成分和性质可控的石墨烯纳米片层和带状材料；（5）利用拉曼光谱、原子力显微镜和电子显微镜等表征所得石墨烯的结构，并建立基于光学显微镜和电子显微镜的石墨烯生长和检测平台，原位观察石墨烯的生长和制备过程，结合理论模拟揭示其生长和制备机制。 (6) 基于光催化反应，利用光照下产生的活性物种或单分子自组装膜破坏石墨烯二维平面共轭结构，对石墨烯进行切割和剪薄，得到不同宽度、多种边缘取向和不同厚度的石墨烯，从而对石墨烯进行能带调制。(7) 发展、完善石墨烯可控转移技术，实现高效、便捷地将高温下制备的石墨烯从特定基底上保持原貌地转移到任意目标基底（如SiO2、塑料等绝缘基片）上。(8) 通过测量石墨烯的电子输运性质，研究表面介电薄膜对电学性质的影响，寻找合适的介电薄膜材料和覆盖工艺，为将来器件的制备和封装探索道路。 主要目标：  （i） 建立结构与性能可控的宏量石墨烯材料的化学制备方法，在石墨烯尺寸，层数，缺陷和组成控制方面获得具有自主知识产权的重要成果。（ii）实现对化学制备的宏量石墨烯的尺寸分离，获得大尺寸（大于40平方微米）窄分布的石墨烯片。（iii）建立大面积、高迁移率石墨烯膜的可控生长与剪裁技术，在工艺创新和技术集成方面取得突破。(iv)发展石墨烯可控转移技术，建立性能可重复的石墨烯材料的制备与组装方法. 承担单位：南开大学、北京大学 课题负责人：陈永胜  学术骨干：黄毅、马延风、赵 清、廖志敏 经费比例：20%   2、石墨烯的可控组装与复合  

    主要研究内容：  本课题致力于研究微/纳米尺度二维石墨烯片的组装行为和组装结构，揭示在平整基底和溶液中的组装机理，分析组装过程中石墨烯的片层作用和边缘效应。建立多层次、多组分石墨烯片的组装技术。利用共价键和非共价键作用修饰石墨烯片，以提高其分散性、组装性能和复合功能。利用石墨烯与其他功能材料（如：高分子，其他碳纳米材料或无机纳米粒子等）的复合提高材料的性能或拓展其功能。（1）利用微纳米尺度石墨烯片在平整基底上组装成大面积薄膜材料，注重研究石墨烯片与基底的相互作用以及石墨烯边缘之间的弱相互作用。研究不同大小、形状纳米片的分散性能和组装行为，以及对获得的膜材料的表面形貌以及光学和电学性能的影响。（2）在溶液中将二维石墨烯片直接组装成三维网络结构，网络的壁由单层或多层石墨烯缔合而成。在无化学或物理交联剂存在的条件下，研制出具有最薄壁厚的多孔碳材料或水凝胶。（3）将利用石墨烯分子边界上不同基团（羧基、羟基、烷氧基等）和缺陷（卡宾碳原子等）的不同反应性，实现有机分子，包括具有特定功能的小分子和高分子反应对石墨烯片的修饰，获得具有良好分散和溶液加工性的功能化石墨烯，达到改善其组装性能、提高或拓展其光学、电学性能和催化活性等目的。（4）利用具有大稠环结构的芳香有机分子（如：蒽，芘，并五苯等化合物的衍生物）以及共轭聚合物（如：聚吡咯，聚噻吩，聚苯胺以及它们的衍生聚合物）或生物大分子（DNA, 血红素等）与石墨烯共轭表面的-相互作用进行组装，从而获得稳定的分散体系，提高石墨烯的可加工性能，研制出相应的功能纳米复合材料。（5）利用功能化石墨烯的特殊二维结构作为模板，利用其表面的大量官能团作为“锚点”，利用原位生长，自组装技术，均相共混等技术接枝具有催化活性的金属或金属氧化物颗粒，获得具有高比表面积和催化活性的新型石墨烯催化材料。（6）利用各种常规化学和结构检测手段(如核磁、红外、紫外及原子力显微镜和电子显微镜等)，研究上述各种石墨烯功能化的反应机理和控制步骤，实现石墨烯的可控修饰。（7）研究自组装结构与复合材料的力学，电学，光学性能以及催化活性，探索其在新能源器件中的应用。  主要目标：  (i) 弄清二维石墨烯片的组装机理，揭示修饰基团的作用和边缘效应。（ii）建

    主要研究内容：  本课题致力于研究微/纳米尺度二维石墨烯片的组装行为和组装结构，揭示在平整基底和溶液中的组装机理，分析组装过程中石墨烯的片层作用和边缘效应。建立多层次、多组分石墨烯片的组装技术。利用共价键和非共价键作用修饰石墨烯片，以提高其分散性、组装性能和复合功能。利用石墨烯与其他功能材料（如：高分子，其他碳纳米材料或无机纳米粒子等）的复合提高材料的性能或拓展其功能。（1）利用微纳米尺度石墨烯片在平整基底上组装成大面积薄膜材料，注重研究石墨烯片与基底的相互作用以及石墨烯边缘之间的弱相互作用。研究不同大小、形状纳米片的分散性能和组装行为，以及对获得的膜材料的表面形貌以及光学和电学性能的影响。（2）在溶液中将二维石墨烯片直接组装成三维网络结构，网络的壁由单层或多层石墨烯缔合而成。在无化学或物理交联剂存在的条件下，研制出具有最薄壁厚的多孔碳材料或水凝胶。（3）将利用石墨烯分子边界上不同基团（羧基、羟基、烷氧基等）和缺陷（卡宾碳原子等）的不同反应性，实现有机分子，包括具有特定功能的小分子和高分子反应对石墨烯片的修饰，获得具有良好分散和溶液加工性的功能化石墨烯，达到改善其组装性能、提高或拓展其光学、电学性能和催化活性等目的。（4）利用具有大稠环结构的芳香有机分子（如：蒽，芘，并五苯等化合物的衍生物）以及共轭聚合物（如：聚吡咯，聚噻吩，聚苯胺以及它们的衍生聚合物）或生物大分子（DNA, 血红素等）与石墨烯共轭表面的-相互作用进行组装，从而获得稳定的分散体系，提高石墨烯的可加工性能，研制出相应的功能纳米复合材料。（5）利用功能化石墨烯的特殊二维结构作为模板，利用其表面的大量官能团作为“锚点”，利用原位生长，自组装技术，均相共混等技术接枝具有催化活性的金属或金属氧化物颗粒，获得具有高比表面积和催化活性的新型石墨烯催化材料。（6）利用各种常规化学和结构检测手段(如核磁、红外、紫外及原子力显微镜和电子显微镜等)，研究上述各种石墨烯功能化的反应机理和控制步骤，实现石墨烯的可控修饰。（7）研究自组装结构与复合材料的力学，电学，光学性能以及催化活性，探索其在新能源器件中的应用。  主要目标：  (i) 弄清二维石墨烯片的组装机理，揭示修饰基团的作用和边缘效应。（ii）建

石墨烯化学制备和表面生长过程中的基本规律，指导石墨烯的可控制备。（iii）总结石墨烯及其复合材料的尺寸、组成、表面张力、界面作用对自组装结构及其复合材料性能的影响。(iv)发展基底上石墨烯纳米结构磁电效应、自旋磁性调控原理，提出提高其稳定性的理论与实现方法。(v)认识石墨烯纳米结构几何、边缘态和缺陷态可控的原理和机制，掌握具有自旋磁性石墨烯纳米结构的可控制备的方法和途径。  承担单位：国家纳米科学中心、南京航空航天大学 课题负责人：智林杰  学术骨干：郭万林，郭宇峰, 周建新，李祥龙 经费比例：25.5%            4. 石墨烯基材料的应用研究 主要研究内容：  本课题致力于研制基于石墨烯的各种实用材料与器件，并推进其产业化进程。（1）通过表面修饰等方法，发展对石墨烯材料进行能带工程的方法，寻找有效实用的电子态调控手段。对各种石墨烯材料进行结构、性能与功能筛选，探索其可能实际应用。（2）发展几项石墨烯器件的加工，组装与集成过程中的关键技术，包括特定边界石墨烯纳米带的加工、上门电极的制备和器件的封装等。（3）在化学制备石墨烯及其自组装结构与复合材料的基础上研制高性能超级电容器以及光电器件。研究材料的光电性能，比表面积，尺寸效应与协同作用对器件性能的影响。（4）在对石墨烯边缘结构与自旋态结构控制的基础上，探索研制新型磁性器件。（5）利用石墨烯奇异的电子性质，如赝自旋、手性等，发展赝自旋电子器件，电子光学器件等新型器件。（6）评价器件的性能，成本与环境影响，实现部分器件的产业化开发。 主要目标：  （i）建立石墨烯器件器件研制的的材料基础与技术手段，为将来的产业化做好技术储备。（ii）研制数种原型电子、自旋电子或赝自旋电子器件以及量子器件，

并实现部分器件的性能达到当时世界最高水平。(iii）保证上述器件中至少有一种器件达到实用化程度。  承担单位：北京大学、上海交通大学 课题负责人：吴孝松  学术骨干：刘忠范、冯新亮、刘 萍、张 帆 经费比例：25.5%    课题间关系      上述四个课题围绕高性能石墨烯材料体系及其器件这一主题，其内容和目标既互相联系又各有侧重。前两个课题将建立高性能材料体系，为第三个课题提供材料基础，第三个课题是其它三个课题的连接纽带，不仅为材料生长，结构与性能控制和条件优化提供指导，而且为器件研究提供理论基础。第四个课题是该项目的终极目标，前三个课题为其提供理论，材料和技术支撑。四个课题互为依存，它们的实施与完成将能解决石墨烯材料的大面积或宏量可控制备、微结构控制生长、组装与功能调控方面的主要科学与技术问题，同时能系统积淀关于石墨烯材料与器件的新知识，开发出具有应用价值或前景的新器件。

四、年度计划    研究内容 预期目标  第   一  年  1. 对现有的化学剥离方法进行优化筛选。选用不同的氧化剂、插层剂及反应条件，同时结合其它手段如预插层、化学膨胀、微波超声等，获得层数、结构、大小和 边界取代基可控的石墨烯宏量化学剥离制备方法。  2. 探索金属薄膜偏析、碳化硅热解法和CVD法生长大面积、高迁移 率石墨烯的新技术。探索高真空高频加热炉法生长高质量外延石墨烯的技术。通过控制局域硅分压达到调控生长的目的。  3. 建立共价和非共价修饰方法，制 备化学修饰石墨烯，对其进行尺 寸分级。研究化学修饰石墨烯的溶液性质与大分子行为。 4. 特定结构的石墨烯及类石墨烯材料的制备。研究特定结构石墨烯的结构与性能。研究石墨烯复合材料的合成方法和基本性质，为超级电容器和锂电池的研究提供材料基础。  5. 发展针对石墨烯的微加工技术，研究石墨烯的输运性质。用化学 修饰的方法实现石墨烯能带调控的研究。  6. 理论模拟结合实验探索，研究简 1. 建立结构与性能可控的宏量石墨烯材料的化学制备方法，获得尺寸、层数及结构可控的石墨烯产品。获得大面积、高质量的石墨烯产品。  2. 制备出2-3种化学修饰石墨烯的稳定分散液。基本弄清石墨烯片在溶液中的分散状态和相互作用。  3. 制备2-4种特定结构的石墨烯材 料。发现新型的基于石墨烯结构的高效能量转化现象，并从理论上初步揭示其内在机制。发展出适用于超级电容器、二次锂离子电池的石墨烯复合材料的制备方法。  4. 制备出石墨烯介观结构，理解石墨烯中狄拉克电子的运动规律，找出影响石墨烯迁移率的主要因素。发现新型的基于石墨烯结构的高效能量转化现象，并从理论上初步揭示其内在机制。 5. 开发石墨烯能带调控新技术，制备具有不同能带结构和物理化学性质的石墨烯衍生物。  6. 发表SCI 论文约40篇。培养研究生10-15名。  

四、年度计划    研究内容 预期目标  第   一  年  1. 对现有的化学剥离方法进行优化筛选。选用不同的氧化剂、插层剂及反应条件，同时结合其它手段如预插层、化学膨胀、微波超声等，获得层数、结构、大小和 边界取代基可控的石墨烯宏量化学剥离制备方法。  2. 探索金属薄膜偏析、碳化硅热解法和CVD法生长大面积、高迁移 率石墨烯的新技术。探索高真空高频加热炉法生长高质量外延石墨烯的技术。通过控制局域硅分压达到调控生长的目的。  3. 建立共价和非共价修饰方法，制 备化学修饰石墨烯，对其进行尺 寸分级。研究化学修饰石墨烯的溶液性质与大分子行为。 4. 特定结构的石墨烯及类石墨烯材料的制备。研究特定结构石墨烯的结构与性能。研究石墨烯复合材料的合成方法和基本性质，为超级电容器和锂电池的研究提供材料基础。  5. 发展针对石墨烯的微加工技术，研究石墨烯的输运性质。用化学 修饰的方法实现石墨烯能带调控的研究。  6. 理论模拟结合实验探索，研究简 1. 建立结构与性能可控的宏量石墨烯材料的化学制备方法，获得尺寸、层数及结构可控的石墨烯产品。获得大面积、高质量的石墨烯产品。  2. 制备出2-3种化学修饰石墨烯的稳定分散液。基本弄清石墨烯片在溶液中的分散状态和相互作用。  3. 制备2-4种特定结构的石墨烯材 料。发现新型的基于石墨烯结构的高效能量转化现象，并从理论上初步揭示其内在机制。发展出适用于超级电容器、二次锂离子电池的石墨烯复合材料的制备方法。  4. 制备出石墨烯介观结构，理解石墨烯中狄拉克电子的运动规律，找出影响石墨烯迁移率的主要因素。发现新型的基于石墨烯结构的高效能量转化现象，并从理论上初步揭示其内在机制。 5. 开发石墨烯能带调控新技术，制备具有不同能带结构和物理化学性质的石墨烯衍生物。  6. 发表SCI 论文约40篇。培养研究生10-15名。  

四、年度计划    研究内容 预期目标  第   一  年  1. 对现有的化学剥离方法进行优化筛选。选用不同的氧化剂、插层剂及反应条件，同时结合其它手段如预插层、化学膨胀、微波超声等，获得层数、结构、大小和 边界取代基可控的石墨烯宏量化学剥离制备方法。  2. 探索金属薄膜偏析、碳化硅热解法和CVD法生长大面积、高迁移 率石墨烯的新技术。探索高真空高频加热炉法生长高质量外延石墨烯的技术。通过控制局域硅分压达到调控生长的目的。  3. 建立共价和非共价修饰方法，制 备化学修饰石墨烯，对其进行尺 寸分级。研究化学修饰石墨烯的溶液性质与大分子行为。 4. 特定结构的石墨烯及类石墨烯材料的制备。研究特定结构石墨烯的结构与性能。研究石墨烯复合材料的合成方法和基本性质，为超级电容器和锂电池的研究提供材料基础。  5. 发展针对石墨烯的微加工技术，研究石墨烯的输运性质。用化学 修饰的方法实现石墨烯能带调控的研究。  6. 理论模拟结合实验探索，研究简 1. 建立结构与性能可控的宏量石墨烯材料的化学制备方法，获得尺寸、层数及结构可控的石墨烯产品。获得大面积、高质量的石墨烯产品。  2. 制备出2-3种化学修饰石墨烯的稳定分散液。基本弄清石墨烯片在溶液中的分散状态和相互作用。  3. 制备2-4种特定结构的石墨烯材 料。发现新型的基于石墨烯结构的高效能量转化现象，并从理论上初步揭示其内在机制。发展出适用于超级电容器、二次锂离子电池的石墨烯复合材料的制备方法。  4. 制备出石墨烯介观结构，理解石墨烯中狄拉克电子的运动规律，找出影响石墨烯迁移率的主要因素。发现新型的基于石墨烯结构的高效能量转化现象，并从理论上初步揭示其内在机制。 5. 开发石墨烯能带调控新技术，制备具有不同能带结构和物理化学性质的石墨烯衍生物。  6. 发表SCI 论文约40篇。培养研究生10-15名。  

     研究内容  预期目标  的研究，针对超级电容器的要求进一步提高材料性能。 6. 研究石墨烯纳米结构的输运性质。分析表面介电薄膜对石墨烯电子输运的影响。探索石墨烯的可控裁剪和转移方法。   名。  第  四  年  1. 基于光化学反应，利用光照下产生的活性物种破坏石墨烯二维平面共轭结构，对石墨烯进行切割 和剪薄，得到不同宽度、多种边缘取向和不同厚度的石墨烯。 2. 探索高质量绝对单层石墨烯和 AB堆垛双层石墨烯的CVD生长方法。发展、完善石墨烯可控转移 技术，实现高效、便捷地将高温下制备的石墨烯从特定基底上保持原貌地转移到任意目标基底（如SiO2、塑料等绝缘基片）上。 通过引入化学气相，调节生长过程中各组分比例，摸索提高碳化硅上外延石墨烯品质的方法。  3. 研究化学修饰石墨烯的复合组装以及石墨烯与高分子的复合。测试和分析复合材料的结构与性能研究。  4. 系统研究石墨烯材料的功能调控 1. 实现石墨烯的光化学可控剪裁以及石墨烯CVD制备中层数和堆垛方式的精确控制。  2. 完善石墨烯可控转移技术，建立性能可重复的石墨烯材料的制备与组装方法，实现在碳化硅上外延生长更高迁移率、更均匀的石墨烯。  3. 制备出石墨烯与其它纳米材料的稳定分散液。通过溶液自组装技术制备出复合材料。获得2-3种具有良好导电性、氧化还原特性或催化活性的石墨烯复合材料。发现复合带来的新现象，新性质和新功能。  4. 建立多种有效的石墨烯材料的功能调控方法,构建较全面的石墨烯材料的结构－性能关系。 5. 实现三种以上具有优良电化学性能的用于超级电容器和锂离子电