石墨烯特性的基礎研究
碳是種奈米結構引起性能變化的驚人模型系統。了解他們的新特性的一個重要的問題，是找到一種適合的方法描述他們。拉曼光譜是種光學技術，揭示了關於碳材料的結合狀態和結晶度的大量信息。特別是拉曼特徵的能量依賴是實驗中的挑戰而且尚未得到充分探索的領域。我們研究了奈米碳管的共振效應，如同電子能帶結構與聲子結構交互作用。
1.Saito, R.; Hofmann, M.; Dresselhaus, G.; Jorio, A.; Dresselhaus, M. S., Raman spectroscopy of graphene and carbon nanotubes. Adv Phys 2011, 60 (3), 413-550;
2.Hofmann, M.; Shin, Y. C.; Hsieh, Y. P.; Dresselhaus, M. S.; Kong, J., A facile tool for the characterization of two-dimensional materials grown by chemical vapor deposition. Nano Res 2012, 5 (7), 504-511.
3.Hsieh, Y. P.; Hofmann, M.; Farhat, H.; Barros, E. B.; Kalbac, M.; Kong, J.; Liang, C. T.; Chen, Y. F.; Dresselhaus, M. S., Chiral angle dependence of resonance window widths in (2n+m) families of single-walled carbon nanotubes. Appl Phys Lett 2010, 96 (10);
4.Hsu, A. L.; Koch, R. J.; Ong, M. T.; Fang, W.; Hofmann, M.; Kim, K. K.; Seyller, T.; Dresselhaus, M. S.; Reed, E. J.; Kong, J.; Palacios, T., Surface-Induced Hybridization between Graphene and Titanium. Acs Nano 2014, 8 (8), 7704-7713.
1.Saito, R.; Hofmann, M.; Dresselhaus, G.; Jorio, A.; Dresselhaus, M. S., Raman spectroscopy of graphene and carbon nanotubes. Adv Phys 2011, 60 (3), 413-550;
2.Hofmann, M.; Shin, Y. C.; Hsieh, Y. P.; Dresselhaus, M. S.; Kong, J., A facile tool for the characterization of two-dimensional materials grown by chemical vapor deposition. Nano Res 2012, 5 (7), 504-511.
3.Hsieh, Y. P.; Hofmann, M.; Farhat, H.; Barros, E. B.; Kalbac, M.; Kong, J.; Liang, C. T.; Chen, Y. F.; Dresselhaus, M. S., Chiral angle dependence of resonance window widths in (2n+m) families of single-walled carbon nanotubes. Appl Phys Lett 2010, 96 (10);
4.Hsu, A. L.; Koch, R. J.; Ong, M. T.; Fang, W.; Hofmann, M.; Kim, K. K.; Seyller, T.; Dresselhaus, M. S.; Reed, E. J.; Kong, J.; Palacios, T., Surface-Induced Hybridization between Graphene and Titanium. Acs Nano 2014, 8 (8), 7704-7713.
二維材料的應用
我們研發了一種利用化學氣相沉積直接產生的圖案化石墨稀的新方法。化學氣相沉積法可以提高現在石墨稀元件的品質和商業潛力，並且還可以實現新型的石墨稀元件。透過催化劑的選擇性鈍化，銅箔上的石墨稀生長可以限制在某些區域。透過使用氧化鋁作為鈍化層，實現高分辨率和高品質的石墨稀圖案。證明了用於沉積圖案化鈍化層的幾種方法可以滿足低成本，高分辨率和可擴展性的應用需求。預構圖石墨稀的轉印可以在非平面基板上產生高分辨率石墨稀電路，為石墨稀電子元件開闢了新的應用領域。
最後，我們在防腐蝕屏障中使用石墨稀，並展示了奈米尺度下基本上新的流體現象，從而使石墨稀鈍化屏障的性能惡化。透過利用原子層沉積選擇性鈍化石墨稀缺陷我們可以將性能提高至99.8%，這是腐蝕保護屏障的最高報告值之一，並且可以在數十億美元的市場中使用石墨稀。
1.Liu, S. B.; Zeng, T. H.; Hofmann, M.; Burcombe, E.; Wei, J.; Jiang, R. R.; Kong, J.; Chen, Y., Antibacterial Activity of Graphite, Graphite Oxide, Graphene Oxide, and Reduced Graphene Oxide: Membrane and Oxidative Stress. Acs Nano 2011, 5 (9), 6971-6980.
2.Hofmann, M.; Hsieh, Y.-P.; Hsu, A. L.; Kong, J., Scalable, flexible and high resolution patterning of CVD graphene. Nanoscale 2014, 6 (1), 289-292.
3.Hsieh, Y.-P.; Hofmann, M.; Chang, K.-W.; Jhu, J. G.; Li, Y.-Y.; Chen, K. Y.; Yang, C. C.; Chang, W.-S.; Chen, L.-C., Complete Corrosion Inhibition through Graphene Defect Passivation. Acs Nano 2014, 8 (1), 443-448;
奈米結構材料的新特性，不僅可以改進現有應用，如以上所述，還可以用於具有創新工作機制的新型元件。
我們證明了石墨稀的原子厚度以及其低載子濃度可以被用於可以前所未有的解析度來映射等離子體場的新型等離子體感測器。
最後，我們在防腐蝕屏障中使用石墨稀，並展示了奈米尺度下基本上新的流體現象，從而使石墨稀鈍化屏障的性能惡化。透過利用原子層沉積選擇性鈍化石墨稀缺陷我們可以將性能提高至99.8%，這是腐蝕保護屏障的最高報告值之一，並且可以在數十億美元的市場中使用石墨稀。
1.Liu, S. B.; Zeng, T. H.; Hofmann, M.; Burcombe, E.; Wei, J.; Jiang, R. R.; Kong, J.; Chen, Y., Antibacterial Activity of Graphite, Graphite Oxide, Graphene Oxide, and Reduced Graphene Oxide: Membrane and Oxidative Stress. Acs Nano 2011, 5 (9), 6971-6980.
2.Hofmann, M.; Hsieh, Y.-P.; Hsu, A. L.; Kong, J., Scalable, flexible and high resolution patterning of CVD graphene. Nanoscale 2014, 6 (1), 289-292.
3.Hsieh, Y.-P.; Hofmann, M.; Chang, K.-W.; Jhu, J. G.; Li, Y.-Y.; Chen, K. Y.; Yang, C. C.; Chang, W.-S.; Chen, L.-C., Complete Corrosion Inhibition through Graphene Defect Passivation. Acs Nano 2014, 8 (1), 443-448;
奈米結構材料的新特性，不僅可以改進現有應用，如以上所述，還可以用於具有創新工作機制的新型元件。
我們證明了石墨稀的原子厚度以及其低載子濃度可以被用於可以前所未有的解析度來映射等離子體場的新型等離子體感測器。
新穎的感測器
此外，我們介紹一種基於二維材料滲濾網絡的新型應變感應器。滲透載子傳輸對應力導致的型變高敏感度被應用在應變感應器中，可被廣泛應用在各種材料上。透過噴霧沉積從溶液處理的石墨稀薄膜製作了高可靠度且敏感的薄膜應變計。透過沉積誘導的膜型態變化可以控制測量靈敏度。所展示的製造擴充性，優越的靈敏度，都超越了常規感測器以及獨特應變計特性具有改進現有技術的潛力且開啟新的應變感測器領域。
最終，我們使用石墨稀/電介質接面以極高的敏感度來感測照度。由於石墨稀的費敏能階獨特可調性，載子注入對於照度非常敏感且寬廣的頻率響應可以證明與當前設備的兼容性。
4.Tan, W. C.; Hofmann, M.; Hsieh, Y. P.; Lu, M. L.; Chen, Y. F., A graphene-based surface plasmon sensor. Nano Res 2012, 5 (10), 695-702;
5.Hempel, M.; Nezich, D.; Kong, J.; Hofmann, M., A Novel Class of Strain Gauges Based on Layered Percolative Films of 2D Materials. Nano Lett 2012, 12 (11), 5714-5718; Hsieh, Y.-P.; Yen, C.-H.; Lin, P.-S.; Ma, S.-W.; Ting, C.-C.; Wu, C.-I.; Hofmann, M., Ultra-high sensitivity graphene photosensors. Appl Phys Lett 2014, 104 (4);
最終，我們使用石墨稀/電介質接面以極高的敏感度來感測照度。由於石墨稀的費敏能階獨特可調性，載子注入對於照度非常敏感且寬廣的頻率響應可以證明與當前設備的兼容性。
4.Tan, W. C.; Hofmann, M.; Hsieh, Y. P.; Lu, M. L.; Chen, Y. F., A graphene-based surface plasmon sensor. Nano Res 2012, 5 (10), 695-702;
5.Hempel, M.; Nezich, D.; Kong, J.; Hofmann, M., A Novel Class of Strain Gauges Based on Layered Percolative Films of 2D Materials. Nano Lett 2012, 12 (11), 5714-5718; Hsieh, Y.-P.; Yen, C.-H.; Lin, P.-S.; Ma, S.-W.; Ting, C.-C.; Wu, C.-I.; Hofmann, M., Ultra-high sensitivity graphene photosensors. Appl Phys Lett 2014, 104 (4);
改善石墨烯製程
基於從改進表徵得到理解，我們嘗試增進現有合成方法的品質及選擇性。
石墨稀邊緣是一個有趣的系統，因為它們將對將來的基於石墨稀的電子學非常重要。我們利用原子分辨率穿透式電子顯微鏡研究了不同邊緣構造的動力學穩定性。邊緣構造可以被控制利用焦耳加熱，這種方式引領了一種流行。
此外，我們證明了催化劑失活的過程限制了現在石墨稀製程方式可實現的質量。通過添加第二催材料如:鎳或鉬，可以克服這個問題動力學研究證明，可以實現由促進劑將第脫氫能障，並且可以發現石墨稀質量的增加。這些發現不僅解答了關於石墨稀生長的基本問題，還提供了改善石墨稀化學氣相沉積法合成的途徑。
1.Hsieh, Y.-P.; Hofmann, M.; Kong, J., Promoter-assisted chemical vapor deposition of graphene. Carbon 2014, 67, 417-423.
2.Jia, X. T.; Hofmann, M.; Meunier, V.; Sumpter, B. G.; Campos-Delgado, J.; Romo-Herrera, J. M.; Son, H. B.; Hsieh, Y. P.; Reina, A.; Kong, J.; Terrones, M.; Dresselhaus, M. S., Controlled Formation of Sharp Zigzag and Armchair Edges in Graphitic Nanoribbons. Science 2009, 323 (5922), 1701-1705.
石墨稀邊緣是一個有趣的系統，因為它們將對將來的基於石墨稀的電子學非常重要。我們利用原子分辨率穿透式電子顯微鏡研究了不同邊緣構造的動力學穩定性。邊緣構造可以被控制利用焦耳加熱，這種方式引領了一種流行。
此外，我們證明了催化劑失活的過程限制了現在石墨稀製程方式可實現的質量。通過添加第二催材料如:鎳或鉬，可以克服這個問題動力學研究證明，可以實現由促進劑將第脫氫能障，並且可以發現石墨稀質量的增加。這些發現不僅解答了關於石墨稀生長的基本問題，還提供了改善石墨稀化學氣相沉積法合成的途徑。
1.Hsieh, Y.-P.; Hofmann, M.; Kong, J., Promoter-assisted chemical vapor deposition of graphene. Carbon 2014, 67, 417-423.
2.Jia, X. T.; Hofmann, M.; Meunier, V.; Sumpter, B. G.; Campos-Delgado, J.; Romo-Herrera, J. M.; Son, H. B.; Hsieh, Y. P.; Reina, A.; Kong, J.; Terrones, M.; Dresselhaus, M. S., Controlled Formation of Sharp Zigzag and Armchair Edges in Graphitic Nanoribbons. Science 2009, 323 (5922), 1701-1705.
石墨烯異質接面之製程與光電應用
石墨稀是單原子薄碳材料，在過去十年中引起了基礎和應用科學研究人員的關注。石墨稀的獨特性質，如強光互相作用和高載子遷移率，對光電子元件表現出巨大的希望。然而，缺乏能隙和快速載子弛緩讓石墨稀中的發光及轉換充滿挑戰性。我們在這展示了石墨稀異質接面對這種應用的潛力。首先，將敘述石墨稀合成中的挑戰，將介紹我們通過新型合成及轉印製程優化石墨稀質量的最新進展。接著，我們將通過參雜證明石墨稀載子濃度的可調性以及該方法對載子傳輸的影響。證明了控制石墨稀基本性質使其非常適合於異質結合，我們將介紹幾個使用石墨稀的光電異質接面元件。
首先，我們生產厚度5奈米到100奈米之間的以石墨稀為基礎的超薄固體染料敏化太陽能電池，這代表了迄今為止生產的一些最薄的太陽能電池，使我們能夠提取太陽能電池的尺度限制。
此外，討論了石墨稀/電介質/p-氮化鎵 異質接面的發光。通過從石墨稀注入的載子通道到達發光材料的突出狀態，實現了高校穩定的發光。石墨稀的獨特性能使得能夠精確控制異質接面中的能帶對準，並且產生垂直通道注入發光電晶體，其中閘極允許調節發光過程。這一進步使得可以從一個單個射極進行任意的彩色光發射。
1.Tan, W.-C., Chen, Y.-C., Liou, Y.-R., Hu, H.-W., Hofmann, M. and Chen, Y.-F. (2016), An Arbitrary Color Light Emitter. Adv. Mater.. doi:10.1002/adma.201604076
2.Tan WC, Chiang CW, Hofmann M, Chen YF. Tunneling-injection in vertical quasi-2D heterojunctions enabled efficient and adjustable optoelectronic conversion. Scientific Reports. 2016;6.
3.Hsieh YP, Hong BJ, Ting CC, Hofmann M. Ultrathin graphene-based solar cells. Rsc Advances. 2015;5(121):99627-31.
4.Hofmann M, Hsieh YP, Chang KW, Tsai HG, Chen TT. Dopant morphology as the factor limiting graphene conductivity. Scientific Reports. 2015;5.
首先，我們生產厚度5奈米到100奈米之間的以石墨稀為基礎的超薄固體染料敏化太陽能電池，這代表了迄今為止生產的一些最薄的太陽能電池，使我們能夠提取太陽能電池的尺度限制。
此外，討論了石墨稀/電介質/p-氮化鎵 異質接面的發光。通過從石墨稀注入的載子通道到達發光材料的突出狀態，實現了高校穩定的發光。石墨稀的獨特性能使得能夠精確控制異質接面中的能帶對準，並且產生垂直通道注入發光電晶體，其中閘極允許調節發光過程。這一進步使得可以從一個單個射極進行任意的彩色光發射。
1.Tan, W.-C., Chen, Y.-C., Liou, Y.-R., Hu, H.-W., Hofmann, M. and Chen, Y.-F. (2016), An Arbitrary Color Light Emitter. Adv. Mater.. doi:10.1002/adma.201604076
2.Tan WC, Chiang CW, Hofmann M, Chen YF. Tunneling-injection in vertical quasi-2D heterojunctions enabled efficient and adjustable optoelectronic conversion. Scientific Reports. 2016;6.
3.Hsieh YP, Hong BJ, Ting CC, Hofmann M. Ultrathin graphene-based solar cells. Rsc Advances. 2015;5(121):99627-31.
4.Hofmann M, Hsieh YP, Chang KW, Tsai HG, Chen TT. Dopant morphology as the factor limiting graphene conductivity. Scientific Reports. 2015;5.
