空間限域生長(zhǎng)策略制備石墨烯基超晶格材料取得重要進(jìn)展
化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室謝毅教授課題組在石墨烯基超晶格材料的合成及應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究人員通過(guò)利用空間限域生長(zhǎng)的策略，首次在溶液中合成出釩氧骨架-石墨烯超晶格材料并顯示出大幅度增強(qiáng)的磁熱效應(yīng)。該工作近日以“Magnetocaloric effects in a freestanding and flexible graphene-based superlattice synthesized with a spatially confined reaction”為題在線發(fā)表在Nature Communications上（Nat. Commun. 2014, 5, 3960. DOI: 10.1038/ncomms4960）。
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眾所周知，超晶格材料由于其特殊的界面電子結(jié)構(gòu)帶來(lái)奇特的物理性質(zhì)，近年來(lái)引起了廣泛的研究興趣。然而傳統(tǒng)的超晶格材料通常是通過(guò)昂貴的脈沖激光沉積或分子束外延生長(zhǎng)獲得，這也意味著后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的過(guò)程將所獲得的超晶格從生長(zhǎng)襯底上轉(zhuǎn)移。與此同時(shí)，最新的研究結(jié)果表明，石墨烯具有獨(dú)特的雙極電子特性，當(dāng)與其他材料復(fù)合時(shí)，可作為電子給體或電子受體來(lái)有效調(diào)節(jié)材料的電性能，因此石墨烯基超晶格材料由于糅合了超晶格特殊的界面性質(zhì)及石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，有可能帶來(lái)一系列傳統(tǒng)材料不存在的新性能。
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針對(duì)上述挑戰(zhàn)，謝毅教授課題組首先提出了一種新的空間限域生長(zhǎng)策略制備石墨烯基超晶格材料的方法，獲得了完美堆垛的單層石墨烯-單層氧化釩-單層石墨烯...的超晶格結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)生長(zhǎng)超晶格材料的缺點(diǎn)。在這種石墨烯基超晶格材料中，石墨烯不僅可以作為一個(gè)獨(dú)特的空間限域反應(yīng)器使釩氧層沿著石墨烯面二維生長(zhǎng)，而且可以作為電子給體，引起釩氧層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重組，降低生成高對(duì)稱性釩氧骨架的生成能。他們與合肥同步輻射國(guó)家實(shí)驗(yàn)室韋世強(qiáng)教授課題組合作，利用同步輻射X-射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜對(duì)該超晶格的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)表征。結(jié)果表明，超晶格中的釩氧層的對(duì)稱性明顯大于在自由空間得到的VO2(B)，并導(dǎo)致了一級(jí)可逆相轉(zhuǎn)變的出現(xiàn)及由之產(chǎn)生的磁熱效應(yīng)，這種相轉(zhuǎn)變類似于VO2(M)-VO2(R)相變過(guò)程中對(duì)稱性由高到低的轉(zhuǎn)變。由于超晶格中二維的單疇結(jié)構(gòu)和石墨烯層的應(yīng)力作用，這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的磁熵變值相比于VO2(M)-VO2(R)相變的磁熵變值，提高了8倍。重要的是，這種柔性的超晶格納米片材料是用低成本的溶液法制得，避免了傳統(tǒng)超晶格材料制備中復(fù)雜的轉(zhuǎn)移過(guò)程，因此適應(yīng)于各種功能器件的組裝，有望加速超晶格材料的實(shí)際應(yīng)用。
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