石墨烯的電子遷移率是硅的100倍，具有卓越的強(qiáng)度和透明度，97.7％的光可被傳輸，是一種理想的電極材料，

示意圖：電子轉(zhuǎn)移途徑在剝離的石墨烯/鋅酞菁類(lèi)混合體中的情形，

來(lái)源：弗里德里希亞歷山大大學(xué)

極高的電子遷移率使石墨烯具有理想的條件，電子穿過(guò)石墨烯時(shí)，大約有100倍的遷移率，這是對(duì)比硅而言，石墨烯還具有卓越的強(qiáng)度，而且事實(shí)上，它幾乎是透明的（2.3％的光可被吸收；97.7％的光可被傳輸），這些都使它成為理想的候選材料，可用于光伏領(lǐng)域，超薄透明石墨烯膜就可替代金屬氧化物電極。因此，它可能是一種很前途的替代材料，可替代銦錫氧化物（ITO：indium tin oxide），銦錫氧化物是目前標(biāo)準(zhǔn)的透明電極材料，石墨烯用作電極，可用于液晶顯示器，太陽(yáng)能電池，iPad和智能手機(jī)使用的觸摸屏，以及有機(jī)發(fā)光二極管（ OLED）顯示器，這種顯示器用于電視和計(jì)算機(jī)。

但是，最近的研究表明，摻雜是必要的，為的是利用石墨烯的全部潛力。這一挑戰(zhàn)對(duì)于研究人員而言，就是要找到適當(dāng)?shù)闹圃旒夹g(shù)，制備高質(zhì)量石墨烯片，使它具有高度的電荷遷移率（charge mobilities）。

德國(guó)和西班牙的一個(gè)研究小組最近發(fā)表了一篇論文，發(fā)表在《應(yīng)用化學(xué)國(guó)際版》（Angewandte Chemie International Edition），題為《實(shí)現(xiàn)可調(diào)石墨烯/酞菁- PPV混合動(dòng)力系統(tǒng)》（Towards Tunable Graphene/Phthalocyanine–PPV Hybrid Systems），他們提出了一種化學(xué)方法，制成非共價(jià)（non-covalently）功能性石墨烯，這種材料產(chǎn)生于可大量獲得的低價(jià)天然石墨。

“到目前為止，功能性分子要根據(jù)光活性基團(tuán)（photo-active groups）引入，這需要與石墨烯氧化物相互作用，因此，就不得不忍受苛刻的還原條件（reduction conditions），獲得非共價(jià)功能化石墨烯氧化物，”珍妮•馬里格說(shuō)（Jenny Malig），他是論文的第一作者。“我們方法的優(yōu)勢(shì)是直接剝離石墨烯，這要采用超聲處理和伴隨的非共價(jià)功能化，依靠的是感光分光表征（photospectroscopical characterization）溶液。”

馬里格是德克•古爾蒂（Dirk Guldi）小組的博士生，在紐倫堡（Nürnberg）埃爾蘭根（Erlangen）弗里德里希亞歷山大大學(xué)（Friedrich-Alexander-Universitat），一起工作的有她的同事，還有合作者來(lái)自馬德里自治大學(xué)（Universidad Autónoma de Madrid）IMDEA 納米科學(xué)部（IMDEA – Nanociencia）。

她指出，非共價(jià)剝落石墨烯，采用的媒介是表面活性劑（surfactants），這是經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的,在原理上，這種概念是來(lái)自碳納米管化學(xué)。

“此外，π類(lèi)表面活性劑（π-surfactants）就像雙親性花（amphiphilic perylene）或苝染料（pyrene dyes）一樣，都已經(jīng)用于穩(wěn)定石墨烯薄片，這是在適當(dāng)?shù)娜軇┲羞M(jìn)行，”她說(shuō)。“受這些成果鼓舞，我們轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的分子，比如酞菁齊聚物（phthalocyanine oligomers），這在以前從未用于溶解過(guò)程。”

對(duì)于這項(xiàng)工作，有知識(shí)傳授了已完成的研究，所在化學(xué)領(lǐng)域就是碳納米管化學(xué)，是古爾蒂的小組做的（他們寫(xiě)過(guò)文章《調(diào)整和優(yōu)化內(nèi)在互動(dòng)的酞菁基PPV低聚物和單壁碳納米管實(shí)現(xiàn)n-型/p-型》），這是關(guān)鍵性的，可以制備非共價(jià)功能化石墨烯薄片，這是一種納米復(fù)合材料。

然而，研究新的電子供受體復(fù)合物（electron donor-acceptor hybrids）就涉及到石墨烯，這更具有挑戰(zhàn)性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)剝離碳納米管，這都是在同樣的情況下進(jìn)行。原因在于，從適用太陽(yáng)能電池而言，主要挑戰(zhàn)是光物理特性方面的納米復(fù)合材料。

“對(duì)比非共價(jià)功能化碳納米管，石墨烯被認(rèn)為是一種零隙（zero-gap）半導(dǎo)體，沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的光學(xué)躍遷（optical transition），在可見(jiàn)光范圍就是這樣，這就限制了表征技術(shù)（characterization techniques），”馬里格說(shuō)。

該小組繞過(guò)這個(gè)問(wèn)題，選擇一個(gè)旁觀分子（spectator molecule），以協(xié)助查明和表現(xiàn)電子供受體的相互作用。

“有趣的是，我們能夠量化和證明所形成的自由基陽(yáng)離子（radical cation）種類(lèi)，就是這種‘旁觀分子’，它第一次清楚地表明，電子轉(zhuǎn)移是從激發(fā)的染料轉(zhuǎn)移到石墨烯片，”馬里格說(shuō)。 “最后，后者就形成一種方便的工具，可用于測(cè)試廣泛的庫(kù)存染料。它表明，石墨烯有可能作為電子受體（electron acceptor）。”

在一般情況下，這種新穎的單因子混合物（monohybrids）材料是新的電子材料，尤其可用于印刷電子技術(shù)。非共價(jià)功能化石墨烯產(chǎn)生了成本上有效的新材料，可能表現(xiàn)出新的變異屬性，不同于非功能化石墨烯。此外，功能基團(tuán)（functional groups）可調(diào)整石墨/石墨烯的剝離和溶解度。

“在有些設(shè)備中，石墨烯電子結(jié)構(gòu)的調(diào)整是采用化學(xué)功能化，這是一種適當(dāng)?shù)姆绞?，這些設(shè)備是可以設(shè)計(jì)的，所有的裝配完全采用石墨烯，”馬里格說(shuō)。