六方氮化硼(h-BN)基复合陶瓷的力学性能、高温耐热性、抗热震性、耐烧蚀性能、介电透波性能、抗熔融金属侵蚀性能和可加工性等十分优异,而且还可以通过晶粒排列的织构化赋予明显各向异性,在航空航天、电子、冶金、机械、能源等领域具有重要应用前景,因此受到各国材料科技工作者和工业界的重视天元以石墨烯和六方氮化硼两种二维原子晶体材料为主,面向宏观功能应用,通过化学气相沉积方法制备大面积高质量单层石墨烯和六方氮化硼,针对其功能涂层性质、亲疏水性、多层石墨烯的气流致生电效应以及氧化锌纳米薄膜中的波动势进行了系统深入地研究,取得如下主要研究进展:

1.单层六方氮化硼的可控生长及其抗氧化、减摩擦的涂层性质:天元系统地研究了六方氮化硼在铜孪晶上的化学气相沉积行为。发现在无氧环境下六方氮化硼倾向于在孪晶窄带上生长。引入氧可以有效抑制这种选择性,实现均匀生长。第一性原理计算揭示其原因是氧辅助下前驱物分子的脱氢能垒的降低。此外,发现通过化学气相沉积法生长的高质量大面积单层六方氮化硼能显著的调节基底表面的摩擦、氧化以及绝缘性能。结合六方氮化硼高的热稳定性及化学稳定性,这些优异的涂层性质使其在功能涂层材料方面具有重要应用价值。

2.六方氮化硼和石墨烯与基底材料无关的独特润湿性能:天元研究揭示出新生长的六方氮化硼薄膜的接触角和基底材料以及六方氮化硼层数无关。第一性原理计算和范德华作用分析证实单层六方氮化硼可以有效地调节水分子和不同基底间的作用,而使得不同基底材料具有表观趋同的疏水性。暴露在空气中后,由于表面吸附空气中的有机分子,六方氮化硼和石墨烯的接触角都会单调增加,很快达到一个与基底材料无关的饱和值。这一饱和接触角对基底材料、层数以及溶液离子种类等多个因素的变化都几乎没有响应,并在长达八个月的实验跨度内保持不变,显示了其润湿统一性和稳定性。这一特殊的单原子层覆层的润湿性质具有重要的实用性。

3.多层石墨烯的Seebeck系数与气流致生电以及氧化锌纳米薄膜的波动势:我们发现通过转移-堆叠制备的1-8层石墨烯Seebeck系数在第六层时达到最大值,是单层石墨烯的1.8倍,而其气流致生电电压在第五层达到最大值,是单层石墨烯的1.9倍。天元在石墨烯之外的材料体系中首次观察到波动势效应,发现含离子的溶液表面沿柔性透明的氧化锌纳米薄膜波动时会产生电压。氧化锌薄膜中这种感应电压会随着运动速度线性增加,开路电压可达数十毫伏,短路电流可达微安级别。此外,这种感应生电可以通过串并联有效放大。理论模拟表明氧化锌纳米薄膜较低的载流子浓度和迁移率使其和其他金属性纳米薄膜相比在收集环境能方面有着明显的优势。