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

示意圖：電子轉移途徑在剝離的石墨烯/鋅酞菁類混合體中的情形，

來源：弗里德里希亞歷山大大學

極高的電子遷移率使石墨烯具有理想的條件，電子穿過石墨烯時，大約有100倍的遷移率，這是對比硅而言，石墨烯還具有卓越的強度，而且事實上，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準的透明電極材料，石墨烯用作電極，可用于液晶顯示器，太陽能電池，iPad和智能手機使用的觸摸屏，以及有機發(fā)光二極管（ OLED）顯示器，這種顯示器用于電視和計算機。

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)對于研究人員而言，就是要找到適當?shù)闹圃旒夹g，制備高質(zhì)量石墨烯片，使它具有高度的電荷遷移率（charge mobilities）。

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

“到目前為止，功能性分子要根據(jù)光活性基團（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），獲得非共價功能化石墨烯氧化物，”珍妮•馬里格說（Jenny Malig），他是論文的第一作者。“我們方法的優(yōu)勢是直接剝離石墨烯，這要采用超聲處理和伴隨的非共價功能化，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（Friedrich-Alexander-Universitat），一起工作的有她的同事，還有合作者來自馬德里自治大學（Universidad Autónoma de Madrid）IMDEA 納米科學部（IMDEA – Nanociencia）。

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

“此外，π類表面活性劑（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?shù)娜軇┲羞M行，”她說。“受這些成果鼓舞，我們轉向更復雜的分子，比如酞菁齊聚物（phthalocyanine oligomers），這在以前從未用于溶解過程。”

對于這項工作，有知識傳授了已完成的研究，所在化學領域就是碳納米管化學，是古爾蒂的小組做的（他們寫過文章《調(diào)整和優(yōu)化內(nèi)在互動的酞菁基PPV低聚物和單壁碳納米管實現(xiàn)n-型/p-型》），這是關鍵性的，可以制備非共價功能化石墨烯薄片，這是一種納米復合材料。

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

“對比非共價功能化碳納米管，石墨烯被認為是一種零隙（zero-gap）半導體，沒有表現(xiàn)出顯著的光學躍遷（optical transition），在可見光范圍就是這樣，這就限制了表征技術（characterization techniques），”馬里格說。

該小組繞過這個問題，選擇一個旁觀分子（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離子（radical cation）種類，就是這種‘旁觀分子’，它第一次清楚地表明，電子轉移是從激發(fā)的染料轉移到石墨烯片，”馬里格說。 “最后，后者就形成一種方便的工具，可用于測試廣泛的庫存染料。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。非共價功能化石墨烯產(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（functional groups）可調(diào)整石墨/石墨烯的剝離和溶解度。

“在有些設備中，石墨烯電子結構的調(diào)整是采用化學功能化，這是一種適當?shù)姆绞剑@些設備是可以設計的，所有的裝配完全采用石墨烯，”馬里格說。