科学家在石墨烯中引入特定缺陷 释放出材料的全新潜能
近日，诺丁汉大学团队研发出一种全新制备石墨烯的方法，通过有意识地设计结构缺陷，显著提升石墨烯在电子器件、传感器及储能等领域的性能。这一突破为科研人员带来了操作和功能控制石墨烯的新途径，有望广泛应用于传感器、电池和电子设备等领域。
科研团队采用名为Azupyrene的分子，该分子的独特结构本身就嵌有所需的缺陷类型。这项技术实现了一步合成石墨烯类薄膜，其缺陷密度和分布可通过调控生长温度实现精准控制。相关研究成果已发表在《Chemical Science》杂志上。
诺丁汉大学化学学院副教授David Duncan指出：“我们开拓了一种全新制备石墨烯的方法。这种超薄、超强的碳材料在完美状态下性能突出，但有时也因过于完美而与其他材料的相互作用较弱，同时缺乏半导体产业所需的一些关键电子特性。”
他分析，材料中的结构缺陷过往常被视为降低性能的问题或失误。但本研究却有意识地引入缺陷，从而赋予材料更多功能。例如，这些缺陷让石墨烯对其他材料更具“粘性”，提升其作为催化剂的作用，并优化了石墨烯在气体检测等传感器领域的性能。同时，结构缺陷也能改变石墨烯的电子与磁性特性，使其更适合半导体产业的需求。
石墨烯的标准结构为六元碳环的二维网格，而本研究所用缺陷则引入具有五元和七元环的邻位结构。Azupyrene分子本身就拥有目标的环结构，为制备高缺陷密度的石墨烯薄膜提供了天然平台。同时，科学家还可通过调节制备温度来精细掌控缺陷数量。
曼彻斯特石墨烯研究所的科学家还证实，这类高缺陷石墨烯薄膜能够在保持缺陷结构的同时迁移至各种平台，为材料集成于实际设备提供了关键一步。
在该项目中，英国、德国和瑞典多家机构通力合作，利用了英国牛津的Diamond Light Source、瑞典MAX IV、以及英国国家超级计算机ARCHER2等高级光谱和显微工具，在原子层面对缺陷石墨烯进行结构和性能研究，从而揭示了缺陷存在的机制以及其对材料化学、电性等方面的影响。
华威大学化学系教授Reinhard Maurer表示：“通过有针对性地选择起始分子和生长条件，我们证实了可以有控制地在石墨烯中引入缺陷。结合原子尺度成像、光谱分析和模拟计算，我们清楚描绘出这些缺陷的特征。”
参与该研究的Diamond Light Source科学家李天麟博士补充：“本研究展现了国际合作和多学科融合的威力，借助多种先进显微、光谱和模拟手段，跨英德瑞等多国机构，共同揭示了石墨烯缺陷形成的原子机制。这是任何单一技术或团队难以独立达成的成果。”
