在石墨層間解離能研究上取得重大進展

2020-11-26 清華大學新聞網

清華大學微納米力學與多學科交叉研究團隊

在石墨層間解離能研究上取得重大進展

清華新聞網9月17日電 近日,清華大學微納米力學與多學科交叉研究中心(簡稱CNMM)鄭泉水教授與美國賓夕法尼亞大學David J. Srolovitz教授的聯合研究團隊在石墨層間解理能研究上取得重大進展,相關工作以"Measurement of the cleavage energy of graphite"(石墨層間解離能的測量)為標題發表在國際著名期刊《自然通訊》(Nature Communications)上。清華大學CNMM暨航天航空學院的博士生王穩為文章的第一作者。

a圖:石墨樣品由在平面基底上的兩層矩形單晶石墨薄片堆垛而成。

b圖:在超潤滑狀態下驅動下層石墨片層相對於上層石墨片層運動來測量石墨的解離能。

c圖:利用原位校準的力傳感器測量片層相對運動時的剪切力,同時控制實驗環境溫度和真空度。

石墨是由多層石墨烯堆積而成,每層石墨烯面內在很強的sp2鍵作用下碳原子緊密排布形成蜂窩狀的結構,相比於面內較強的化學鍵相互作用,石墨層間相互作用則為很弱的範德華作用。這種面內相互作用很強而面外相互作用很弱的強烈對比導致了石墨很多奇特的物理和力學特性。石墨層間解理能是一個非常重要且基本的物理參數,精確測量石墨層間解理能對理解石墨、石墨烯、碳納米管等碳類材料特殊的性質有重要的意義。

長久以來,石墨層間解理能爭論較大。從理論的角度來看,難點在於恰當地包含面內較強的短程化學鍵相互作用和面外相對較弱的長程範德華相互作用,前者是由於電子云的重疊引起的,而後者是由於電荷漲落,即色散相互作用/力。從實驗角度來看,儘管已經發展了很多實驗方法測量石墨層間的相互作用能量,但是絕大多數方法都不是直接測量,需要建立相應的理論模型並結合實驗測量才能得到結果。目前還沒有看到直接測量石墨層間解離能的報導,而以前間接測量得到的石墨層間能量分散性很大,這一結果是不能讓人信服的。

鄭泉水教授領導的研究組長期致力於石墨超潤滑特性研究,取得了長足的進展,精確測量石墨層間解離能也引起了鄭教授極大的興趣。基於近期發現的微米級石墨樣品的自回復現象和超潤滑性質,研製相關的測量設備,鄭教授研究組實現了石墨層間解離能的精確測量。研究發現非共度狀態下石墨層間解理能在實驗測量的範圍內幾乎不隨溫度、非共度角、尺度、真空度的改變而變化。該實驗測量得到的石墨層間解理能為直接測量,精度高,為判定多類基於第一原理的計算模型是否合理提供了一個基準。

該項研究獲得國家重大基礎研究計劃和唐仲英基金會資助。

文章連結:http://www.nature.com/ncomms/2015/150828/ncomms8853/full/ncomms8853.html

供稿:微納米科學與技術研究中心 編輯:田心

 

相關焦點

  • 河北工業大學在石墨—金剛石相變機制理論研究方面取得重大進展
    近日,河北工業大學在石墨—金剛石相變機制理論研究方面取得重大進展。8月4日,Nature出版集團的《Scientific Reports》雜誌刊發該校謝紅獻博士為第一作者的論文《Mechanism for direct graphite-to-diamond phase transition》(石墨—金剛石相變機制研究)。該研究為人工合成金剛石提供了一個全新的思路:可按人意願控制人造多晶金剛石晶粒的大小,以及單晶金剛石的合成。
  • 黑磷烯納米帶研究取得新進展
    Cheetham FRS(共同通訊作者)合作,在黑磷烯納米帶研究取得重要進展。相關研究發表於《自然—通訊》。黑磷烯二維納米結構,包括單原子層黑磷烯和少層黑磷烯(<10層)。與石墨烯不同,黑磷烯本身具有帶隙以及獨特的結構各向異性。
  • 石墨烯研究取得新進展---層間聲子模式輔助雙層石墨烯熱電子冷卻
    石墨烯研究取得新進展----層間聲子模式輔助雙層石墨烯熱電子冷卻 石墨烯由於其獨特的物理性質,在多種電子學和光電子學器件應用研究中被寄予厚望;石墨烯多層堆垛形成的薄膜具有極高面內熱導率
  • 化學所在一氧化碳真空紫外光解離的同位素效應研究中取得進展
    CO吸收宇宙空間中的真空紫外輻射以後會解離生成C原子和O原子;碎片原子會進一步和H2分子反應生成碳氫化合物和水,而這些次生分子是組成生命的基本物質。另一方面,CO的光吸收和光解離還被認為是造成太陽系中C、O同位素異常分布的直接原因,從分子層面理解這一現象形成的機制對於研究太陽系的演化歷史以及行星的形成機制具有重要意義。
  • 在黑磷烯納米帶研究方面取得重要進展
    黑磷烯二維納米結構,包括單原子層黑磷烯和少層黑磷烯(<10層)。與石墨烯不同,黑磷烯本身具有帶隙以及獨特的各向異性。(z-PNB)的機理該電化學解離機制認為製備過程分為兩步,即離子插層和氧驅動解離過程(圖2)。
  • 氟甲烷分子離子解離動力學研究獲進展
    近日,中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所研究員張為俊課題組在氟甲烷分子離子解離動力學研究方面取得新進展,相關成果在線發表在美國化學會期刊
  • 化學系曹化強教授課題組在黑磷烯納米帶研究方面取得重要進展
    研究團隊利用電化學手段控制氧分子濃度,製備出沿鋸齒型(zigzag)取向的納米帶;同時,通過調節電流密度可實現黑磷烯納米片、納米帶和量子點的可控制備;通過理論計算揭示了氧分子對黑磷烯實現定向切割的機理;利用所製備的黑磷烯納米帶構建場效應電晶體器件並對其載流子輸運特性進行了深入研究。黑磷烯二維納米結構,包括單原子層黑磷烯和少層黑磷烯(<10層)。
  • 清華大學曹化強《自然·通訊》:在黑磷烯納米帶研究方面取得重要進展
    研究團隊利用電化學手段控制氧分子濃度,製備出沿鋸齒型(zigzag)取向的納米帶;同時,通過調節電流密度可實現黑磷烯納米片、納米帶和量子點的可控制備;通過理論計算揭示了氧分子對黑磷烯實現定向切割的機理;利用所製備的黑磷烯納米帶構建場效應電晶體器件並對其載流子輸運特性進行了深入研究。黑磷烯二維納米結構,包括單原子層黑磷烯和少層黑磷烯(<10層)。
  • 寧波大學在太陽能光催化氫燃料合成研究中取得重要進展
    近日,在宋少青博士、姜淑娟博士指導下,研究生二年級林哲荇同學在太陽能光催化水解離制氫能領域取得重要進展,以寧波大學為第一署名單位在國際環境與能源催化一流學術期刊《Applied Catalysis B: Environmental
  • 科學網—水分子光化學動力學研究取得新進展
    中科院大連化物所水分子光化學動力學研究取得新進展   本報訊(記者劉萬生 通訊員陳志超)近日,中科院大連化學物理研究所研究員袁開軍和楊學明院士團隊在水分子真空紫外波段光解動力學機理研究方面取得新進展,相關工作發表在《物理化學快報》上。
  • 寧波材料所在非晶碳基抗磨蝕防護塗層材料研究中取得進展
    近期,中國科學院寧波材料技術與工程研究所、中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室的先進碳基薄膜技術團隊,聚焦具有優異力學、低摩擦潤滑、良好化學惰性的非晶碳基塗層材料體系,在金屬表面強化防護用PVD類石墨非晶碳(Graphite-like carbon, GLC)塗層材料方面取得系列進展。
  • 調控費託合成中CO解離作用機制獲進展—新聞—科學網
    在調控費託合成中CO解離的作用機制方面取得進展   近日,中國科學院大連化學物理研究所研究員黃延強
  • 物理所石墨烯摩爾超晶格研究取得系列進展
    理論上預測,由於氮化硼襯底上兩個子晶格的化學勢不同,會局域地打破石墨烯的子晶格對稱性,從而導致石墨烯帶隙的出現。然而這種推測缺乏相關的實驗證據;另外,氮化硼襯底如何和石墨烯的兩個子晶格相互作用,也缺乏深入的實驗探究。
  • 合成氣選擇性製備乙醇機理研究取得進展
    近日,中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室理論催化創新特區研究組研究員肖建平團隊與浙江大學教授肖豐收和研究員王亮團隊合作,在合成氣一步法製備乙醇的研究中取得新進展。 乙醇是重要的化學品和燃料。通過合成氣高效並高選擇性地直接製備乙醇是目前能源研究領域的熱點。
  • 中國科大二維材料系列研究取得新進展:預言單層藍磷「半層-半層...
    近日,合肥微尺度物質科學國家實驗室國際功能材料量子設計中心在二維材料系列研究中取得新進展,理論上預言了在GaN(001)襯底上可外延生長單層藍磷,並提出非常規的「半層-半層」生長機制。該研究成果以「Half Layer By Half Layer Growth of a Blue Phosphorene Monolayer on a GaN (001) Substrate」為題於2017年1月27日在線發表在國際權威物理學雜誌《物理評論快報》上,並被選為編輯推薦(Editors' Suggestion)。博士生曾犟為第一作者,崔萍博士與張振宇教授為通訊作者。
  • 石墨烯類膜材料質子輸運特性研究取得突破性進展 燃料電池和氫技術...
    近日,我校工程科學學院近代力學系中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室的吳恆安教授和王奉超特任副研究員,與諾貝爾物理獎得主、英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授課題組及荷蘭內梅亨大學研究人員合作,在石墨烯類膜材料質子輸運特性研究方面取得了突破性進展,發現石墨烯以及氮化硼等具有單原子層厚度的二維納米材料可作為良好的質子傳導膜。
  • 快速批量製備高質量石墨烯研究取得進展
    從中科院獲悉,蘇州納米所等在快速批量製備高質量石墨烯研究方面取得進展。因為在半導體工業中具有良好的集成兼容性以及低廉的成本優勢,銅基表面化學氣相沉積(CVD)法被認為是**有潛力實現大規模製備高質量石墨烯的方法。
  • 中科院大連化物所水分子光化學動力學研究取得新進展—新聞—科學網
    中科院大連化物所水分子光化學動力學研究取得新進展
  • 快來看看,8月的清華取得了哪些科研進展?
    化工系陸奇團隊在電化學二氧化碳轉化製備高附加值化學品受含氧基團影響的研究中取得突破性進展清華-伯克利深圳學院團隊在綠色反溶劑抑制非輻射複合實現高效鈣鈦礦太陽能電池方面取得新進展材料學院楊金龍教授課題組合作發明燒結不收縮高強度泡沫陶瓷電機系首次研製成功
  • Interfaces 青島科大張建明教授團隊在規模化製備石墨烯氣凝膠取得重要進展
    該材料的接觸角可達131.8&deg;,可以粘附水滴,並且仿玫瑰花表面結構使得石墨烯璧更加粗糙,顯著提高了其光熱轉化能力,使得該材料在太陽能淨水領域具有重大的應用前景。近幾年,青島科技大學高分子學院張建明教授團隊一直致力於石墨烯氣凝膠材料的製備和應用研究,並取得了一系列重要的進展。前期工作中,張建明教授團隊在國際上率先實現了石墨烯氣凝膠材料的常壓乾燥製備,並獲得了優異的材料性能(J. Mater. Chem. A, 2015, 19268-19272.)。