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二维材料及其应用

  二十一世纪，纳米科技无论是在国防军事还是国计民生方面都表现出巨大的研究价值和应用前景，而2010年石墨烯(graphene，G)获得诺贝尔奖，更是将纳米科技推进到了原子层级。目前来看，高质量的，大面积的，单层材料的获得，及其功能化应用是推进纳米科技进步的一个主要方向。石墨烯已广泛应用于晶体管、超级电容器以及新型太阳能电池的器件。

图1.（左）单层石墨烯，（右）石墨烯晶体管。

  氧化石墨烯(graphene oxide，GO )是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。 很容易通过液相法制备氧化石墨烯，其结构上有很多OH-、COOH-键，具有良好的生物相容性。将可应用于特殊细胞与微器官的培养，以及光电化学PEC和PEC的生物应用（PECB）设计中的能带过渡材料。 可通过简单退火得到还原氧化石墨烯(RGO)，其性质类似于石墨烯。本课题组正致力于将G,GO和RGO应用于生物检测平台、超级电容器以及新型光伏器件。

        图2.氧化石墨烯的结构

氧化石墨烯构建用于T1磁共振成象及药物递送的诊疗一体化平台

  通过在氧化石墨烯上修饰二乙三胺五乙酸并络合钆离子，随后利用氧化石墨烯的超高比表面积特性来吸附抗癌药物阿霉素，从而构建了一种基于氧化石墨烯材料的诊疗一体化纳米平台。实验发现，在11.7 T磁场中，该材料r1弛豫率与商品化造影剂马根维显相比可提高2.4倍，并且能有效用于细胞成像。同时，负载了阿霉素的该造影剂材料能有效杀伤癌细胞 (HepG2)。 

图3. 基于氧化石墨烯的T1磁共振成象及药物递送的诊疗一体化平台。

半导体过渡金属硫化物

  作为石墨烯的优秀替代者，半导体过渡金属硫化物（TMDs）目前受到广泛关注，并有望解决石墨烯因零带隙遇到的应用瓶颈。通过化学掺杂，可实现对单层MoS2能带结构的双向 调节，有效拓宽其直接带隙，这对相关光电器件的应用至关重要。

图4. MoS2的结构

  基于单层MoS2的光电晶体管，为原子级薄的光电器件的实用化带来了新的希望。

图5. 基于单层MoS2的光电晶体管。