科学通报-纳米碳材料专辑.pdf

2014 年 第59 卷 第33 期 《中国科学》杂志社 专辑: 纳米碳材料 SCIENCE CHINA PRESS 编 者 按 纳米碳材料是过去30 年间最为活跃的研究领域之一. 富勒烯、碳纳米管、石墨烯等一系列碳质新材料先 后被发现, 带来了丰富的新结构、新现象、新物理和新应用, 掀起并带动了持续至今的纳米科技研究热潮. 纳 米碳材料之所以受到广泛关注是因为其特有的几何结构、以 sp2 杂化为主的成键方式以及由此带来的优异的 电学、力学、热学、光学等特性. 例如, 碳纳米管和石墨烯分别是已知最细和最薄的材料, 具有远高于硅的载 流子迁移率、最高的热导率和力学强度, 以及优异的柔韧性. 纳米碳材料的性能对结构变化极其敏感, 如手性 不同的单壁碳纳米管可表现为金属性或半导体性; 单层石墨烯中的载流子为无质量的狄拉克费米子, 双层石 墨烯的载流子为有质量的狄拉克费米子. 此外, 纳米碳材料具有极高的稳定性, 且易于大规模制备, 因此可 望在结构和功能增强复合材料、储能、光电检测与转换材料以及微纳电子器件等领域获得广泛应用, 被认为 是最有希望获得大规模实际应用的纳米材料, 其实用化将对国家安全、信息通讯、新能源、航空航天、智能 交通、资源高效利用、环境保护、生物医药等产业发展起到极大的推动作用. 纳米碳材料已获得各发达国家 政府和企业界的高度重视. 2011 年, 电气和电子工程师协会(IEEE)和美国国家标准与技术研究院(NIST) 开始 建立纳米碳材料技术标准; 2013 年, 欧盟启动为期10 年、总额10 亿欧元的石墨烯旗舰计划; 美国杜邦公司投 巨资用于航空航天领域; 日本东丽公司和欧洲ARKEMA, NANOCYLE 公司重点投资碳基透明导电薄膜和高 分子导电复合材料等; 美国IBM 公司于2014 年宣布在未来5 年投入30 亿美元研发7 nm 碳纳米管芯片. 可 以预见, 纳米碳材料将在储能器件、复合材料、柔性显示、光通信、高频晶体管、柔性晶体管和碳基大规模 集成电路等领域获得广泛应用. 勿庸置疑, 在过去二、三十年间纳米碳材料研究已取得了显著进展, 但目前仍面临着极大的挑战. 例如, 虽然碳纳米管和石墨烯的规模制备已基本实现, 但仍存在可控性差、成本高等问题. 针对电子、光电子器件 应用的半导体性单壁碳纳米管的宏量可控制备、晶圆尺寸高品质石墨烯单晶的制备以及大面积石墨烯和碳纳 米管透明导电薄膜的制备等问题仍亟待解决. 前期研究表明, 纳米碳材料在电化学储能、轻质高强度复合材 料、印刷电子、热管理、功能涂层等领域具有良好的应用前景, 但相关性能仍有待进一步优化和提高; 而如 何针对不同应用对纳米碳材料进行结构设计、裁剪和功能化, 以及如何充分发挥其独特的结构和性能优势具 有重要的科学和应用研究意义. 我国学者在纳米碳材料研究中一直十分活跃, 特别是在纳米碳材料的控制制备、电化学储能特性、电子 器件构建等方面的研究水平处于国际先进行列. 为了集中展现我国学者在本领域的研究成果, 促进同行间学 术交流, 《科学通报》特此编辑出版“ 纳米碳材料” 专辑. 本专辑的主要内容涉及纳米碳的结构可控制备与分 离、复合材料、电子器件、透明导电薄膜、光声效应等. 本专辑的编辑出版得到了北京大学、清华大学、南 开大学、大连理工大学、哈尔滨工程大学、