六方氮化硼(h-BN)基復合陶瓷的力學性能、高溫耐熱性、抗熱震性、耐燒蝕性能、介電透波性能、抗熔融金屬侵蝕性能和可加工性等十分優異,而且還可以通過晶粒排列的織構化賦予明顯各向異性,在航空航天、電子、冶金、機械、能源等領域具有重要應用前景,因此受到各國材料科技工作者和工業界的重視天元以石墨烯和六方氮化硼兩種二維原子晶體材料為主,面向宏觀功能應用,通過化學氣相沉積方法制備大面積高質量單層石墨烯和六方氮化硼,針對其功能涂層性質、親疏水性、多層石墨烯的氣流致生電效應以及氧化鋅納米薄膜中的波動勢進行了系統深入地研究,取得如下主要研究進展:

1.單層六方氮化硼的可控生長及其抗氧化、減摩擦的涂層性質:天元系統地研究了六方氮化硼在銅孿晶上的化學氣相沉積行為。發現在無氧環境下六方氮化硼傾向于在孿晶窄帶上生長。引入氧可以有效抑制這種選擇性,實現均勻生長。第一性原理計算揭示其原因是氧輔助下前驅物分子的脫氫能壘的降低。此外,發現通過化學氣相沉積法生長的高質量大面積單層六方氮化硼能顯著的調節基底表面的摩擦、氧化以及絕緣性能。結合六方氮化硼高的熱穩定性及化學穩定性,這些優異的涂層性質使其在功能涂層材料方面具有重要應用價值。

2.六方氮化硼和石墨烯與基底材料無關的獨特潤濕性能:天元研究揭示出新生長的六方氮化硼薄膜的接觸角和基底材料以及六方氮化硼層數無關。第一性原理計算和范德華作用分析證實單層六方氮化硼可以有效地調節水分子和不同基底間的作用,而使得不同基底材料具有表觀趨同的疏水性。暴露在空氣中后,由于表面吸附空氣中的有機分子,六方氮化硼和石墨烯的接觸角都會單調增加,很快達到一個與基底材料無關的飽和值。這一飽和接觸角對基底材料、層數以及溶液離子種類等多個因素的變化都幾乎沒有響應,并在長達八個月的實驗跨度內保持不變,顯示了其潤濕統一性和穩定性。這一特殊的單原子層覆層的潤濕性質具有重要的實用性。

3.多層石墨烯的Seebeck系數與氣流致生電以及氧化鋅納米薄膜的波動勢:我們發現通過轉移-堆疊制備的1-8層石墨烯Seebeck系數在第六層時達到最大值,是單層石墨烯的1.8倍,而其氣流致生電電壓在第五層達到最大值,是單層石墨烯的1.9倍。天元在石墨烯之外的材料體系中首次觀察到波動勢效應,發現含離子的溶液表面沿柔性透明的氧化鋅納米薄膜波動時會產生電壓。氧化鋅薄膜中這種感應電壓會隨著運動速度線性增加,開路電壓可達數十毫伏,短路電流可達微安級別。此外,這種感應生電可以通過串并聯有效放大。理論模擬表明氧化鋅納米薄膜較低的載流子濃度和遷移率使其和其他金屬性納米薄膜相比在收集環境能方面有著明顯的優勢。