石墨烯五大研究中心研究热点与成果汇总 >> 行业新闻-j9九游会登录入口

 

（文章来源：材料牛）

 

石墨烯作为第一种被发现的二维材料，自2004 年问世以来，就迅速吸引了世界范围内的广泛关注和研究兴趣。尽管已经15年过去，但是，石墨烯以及相关二维材料的研究依然热度不减，新兴研究领域不断被开拓。石墨烯集卓越的力学性能、电学性能和导热性能于一体，具有使能和助力诸多颠覆性技术的潜力，以石墨烯新材料为核心所推动的新兴技术与产业成为未来科技创新与产业发展的必争战略高地，世界各国纷纷成立石墨烯研究中心，开始一场围绕新材料的“科技竞赛”，谁掌握了二维材料的技术，谁就有可能掌握通向未来之门的钥匙。本文着重梳理以曼彻斯特石墨烯国家研究院为首的五所世界顶尖石墨烯研究中心所聚焦的重点研究方向以及19年来这些研究中心的成果产出，为国内二维材料的研究方向选择以及未来新材料产业发展重点提供有价值参考。

 

1 曼彻斯特石墨烯国家研究院

 

 

石墨烯问世于曼彻斯特大学，曼大石墨烯国家研究中心（national graphene insttitute，ngi）是当前英国乃至世界石墨烯相关研究的策源地。ngi核心使命在于不断开拓二维（2d）材料科学与应用前沿领域，兼顾石墨烯以及二维材料产业化、商业化。以ngi为中心，石墨烯工程创新研究中心（graphene engineering innovation centre, geic）和henry royce研究院承接和发展ngi研究成果，不断探索二维材料商业应用新模式。ngi汇聚了一批世界顶级科学家，包括石墨烯之父andre geim和kostya novoselov、理论物理学家vladimir falko、材料学家ian kinloch、sarah haigh、rahul raveendran nair等等，研究方向涵盖凝聚态物理、介观物理与纳米技术、纳米功能材料、光子学、纳米医学、通信应用等多学科领域。作为2d材料领域的先驱，ngi发挥着思想引擎的作用，引领2d材料研究的新方向。ngi目前主要聚焦九大研究热点，见下表。

 

 

2019年，ngi累积发表论文近60篇，其中ns正刊5篇、大子刊3篇，nature communication、acs系列等顶刊累计约19篇。统计发现，ngi近半数新发顶刊研究内容与2d材料异质结关联，主要报道异质结构中二维材料中新奇或反常电子流体和光电现象，重点聚焦基础物理领域。

 

science：测量石墨烯电子流体的霍尔粘度1

 

处于磁场中的导体流过电流时会出现霍尔效应。但是，霍尔粘度，一个很久以来就被理论所确定的无耗散系数，在实验上却很难实现观测或测量。该文章报道了高粘性电子体系所观测的结果与标准霍尔效应行为的定性偏差。进一步的研究表明，石墨烯中的粘性电子流体产生一个与标准霍尔效应所生成电场相反的电场来响应非量化磁场。粘性的贡献是显著的且已被确认。研究人员通过大温区内反常行为的分析，提取出了学界寻找已久的霍尔粘度。

 

原文链接：berdyugin a i, xu s g, pellegrino f m d. measuring hall viscosity of graphene’s electron fluid[j]. science, 2019, 364(6436): 162. （doi:10.1126/science.aau0685）

 

图1 磁场对粘性电子流体的影响。

 

 

（a，b）靠近电流注入点理论石墨烯电子流体电势分布；（c）普通霍尔效应对图b的贡献；（d）霍尔粘性对图b的贡献；（e）其中一个测试样品的光学图片和vr测试示意图；（f）不同磁场下vr测试结果。

 

nature：在范德瓦尔斯异质结构中莫尔超晶格中的共振杂化激子2

 

原子级2d材料通过范德华力进行垂直堆叠组装，可以使来自不同2d材料的单原子层通过晶格失配和任意转角耦合，从而形成莫尔超晶格。在gra/h-bn超晶格中已经观察到了石墨烯能带打开微小的带隙。在旋转gra/gra双层结构中，由于层间共振，该效应更加显著，并使得在魔角出现超导-绝缘转变。该文章通过组装单层mose2和ws2半导体异质结构，证明了激子能带可以杂化，并导致莫尔超晶格效应共振增强。选择mose2和ws2的原因是二者的导带边缘都是接近简并的，非常相似。当激子能量以层间转角周期性移动，杂化现象出现。该发现为异质结半导体器件的能带结构设计提供了新的策略。

 

原文链接：alexeev e m, ruiz-tijerina d a, danovich m. resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der waals heterostructures[j]. nature, 2019, 567(7746): 81-86. （doi：10.1038/s41586-019-0986-9）

 

图2 mose2和ws2异质结样品；mose2和ws2能带结构与布里渊区对准；吸收谱与转角的关系。

 

 

nature nanotechnology：二维狄拉克材料中的强烈红外与太赫兹磁光效应3

 

当二维电子气（2degs）放置在磁场中，电子在不同的朗道能级之间跃迁而吸收电磁波。理论预测，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的红外吸收。但是，已有试验报道结果中，该磁光效应异常微弱，其主要原因是样品中不可避免的缺陷导致。该文章中，研究人员自制磁-红外显微光谱测量系统，使用高迁移率h-bn包覆石墨烯样品，测量磁传输与法拉第旋转。研究发现在红外和太赫兹段出现强烈的磁光活动，包括吸收接近50%这个极限、100%磁圆形二项色性和高法拉第旋转。该发现证明2d狄拉克材料通过磁调谐在长波长光电器件和等离激元器件中的应用潜力。

 

原文链接：nedoliuk i o, hu s, geim a k. colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional dirac material[j]. nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）

 

图3 高迁移率h-bn包覆石墨烯中带内朗道能级跃迁。

 

 

(a) 理论朗道能级与磁场的关系；(b) 磁光试验系统示意图；(c) 试验样品光学照片；(d) 磁透射谱；(e) 磁透射与磁场和光子能量的关系；(f) 4.17t吸收谱

 

2 剑桥石墨烯研究中心

 

 

剑桥石墨烯研究中心（cambrige graphene centre，cgc）同曼大ngi一样是英国石墨烯协同创新组织的一部分。cgc的定位是工程创新中心，主要任务是桥接学界和工业界，推动石墨烯及2d材料的产业化，重点强调2d材料相关的应用。投资cgc的主要目的在于填补两个方面的空白：（1）面向工业生产，研究中试工艺设备体系，测试与优化基于石墨烯、纳米材料以及其他新型2d材料的喷墨打印技术；（2）面向自供能、无线互联等对能源存储的要求，研究基于透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相关材料赋能新型柔性、节能电子、光电器件是上述工作面临的核心挑战。为逐步攻克上述难关，cgc从四个大方向布局2d材料相关研究：（1）材料的生长、转移和打印；（2）能源应用；（3）器件互联；（4）传感器应用。目前，在2d材料领域比较活跃的课题组主要有：

 

（1）聚焦纳米材料生长和仿生功能器件的hofman课题组；

 

（2）聚焦于cnt、2d材料非线性光学在光子器件应用的纳米材料与光谱课题组（nms）；

 

（3）聚焦于2d材料油墨和可打印功能器件的混合纳米材料工程应用研究组（hybrid nanomaterials engineering）。

 

2019年，上述课题组累计发文近30篇，其中advanced materials、advanced functional materials、acs系列等顶刊近11篇，发文热点主要集中在2d材料的生长和转移、2d材料喷墨打印功能器件这两个领域。

 

acs nano：面向集成制造的大面积单层六方氮化硼转移方法4

 

h-bn之外唯一已知的结构由简单、稳定、单原子薄层构成的材料。历史上，h-bn被用作粉末形式的润滑剂，但它在原子级薄层绝缘体、屏障或封装等方面特别有吸引力。实际上，几乎所有新兴的电子和光子器件概念目前都依赖于从小体积微晶中剥离出来的h-bn，这限制了器件尺寸和工艺可扩展性。为了解决这个问题，该文章重点聚焦在对pt催化h-bn晶体形成的系统认识，通过集成化学气相沉积（cvd）工艺解决单层h-bn在集成工艺中面临的挑战，该工艺使h-bn单晶尺寸超过0.5 mm，并在45分钟内连续生长形成原子级连续薄膜。该工艺利用了商用的可重复使用的铂箔，并允许通过剥离的方式简单干净地转移h-bn。该文章展示了在原子层精确顺序拾取组装石墨烯/h-bn异质结构的过程中，并且尽量减少界面污染。这种方法可以很容易地与其他层状材料相结合，并且能够将cvd h-bn集成到高质量、可靠的2d材料器件层堆栈中

 

原文链接：wang r, purdie d g, fan y. a peeling approach for integrated manufacturing of large monolayer h-bn crystals[j]. acs nano, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）

 

图4 h-bn cvd生长和异质结转移堆叠过程

 

 

advanced functional materials：在任意3d表面上保形打印石墨烯器件5

 

印刷作为石墨烯油墨低成本、高通量图案化的一种手段，已经引起了很多关注。然而，传统的印刷工艺需要平坦的表面，并且不能在3d物体上实现图案化。该文章提出了在任意形状表面上实现功能石墨烯图形的保形打印方法。首先配制具有最佳导电性的不溶性石墨烯墨水，然后使用常规丝网印刷将单层和多层电功能结构印刷到牺牲层上，接着将印刷品转移到水上，使牺牲层溶解，同时保留功能图案，最后将单层和多层图图案化器件直接转移到任意形状的3d物体上。使用这种技术，可以在硬质、柔性质基材（如玻璃，乳胶，热塑性塑料，纺织品，甚至糖果和棉花糖）上进行功能器件的保形印刷，包括焦耳加热器，应变传感器和临近传感器。这种简单的策略有望为传统3d表面添加新的设备和传感功能。

 

原文链接：ng l w t, zhu x, hu g. conformal printing of graphene for single- and multilayered devices onto arbitrarily shaped 3d surfaces[j]. advanced functional materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）

 

图5 不同3d物体上的保形印刷

 

 

3 西班牙光电科学研究所

 

 

西班牙光电科学研究所（the institute of photonic science, icfo）是一所专注于光电研究的世界级研究中心，网罗世界范围内高端光电领域基础与应用研究科学家，立志于解决光电前沿领域的未知问题，推动先进光电技术的应用。鉴于石墨烯和2d材料的新奇光电特性以及飞速发展，与量子和纳米生物学并列，icfo独立开辟石墨烯和2d材料研究新板块，希望利用2d材料替代传统光电材料，解决当前光电领域所面临的困难和挑战。基础科学探索与新兴应用研究并举，icfo在基础科学和在新兴应用分别确立了四大探索研究方向。

 

 

 在能源方面，icfo旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行应用途径，并通过新型功能材料和纳米结构的应用研发可再生能源器件。在高精传感方面，icfo的研究重点是基于石墨烯纳机电振子的超分辨质谱仪和光力系统，并行开展基于石墨烯的中红外探测器、气体探测器和应用于dna、蛋白质等的生化传感器。在表面等离激元光子学方面，主要研究石墨烯等离激元的电调控与探测、基于石墨烯等离激元的光调制等等。在基础光学方面，主要研究纳米量子光学、人造石墨烯、超快光学以及石墨烯非线性光学等。在成像系统应用方面，icfo主要研究能够覆盖深紫外-可见光-红外的基于coms工艺图像传感器。在可穿戴应用方面，主要研究柔性、半透明的健康检测系统，能够有效检测血氧等多健康参量。在光电探测器方面，主要研究基于宽带吸收的超宽带探测器以及结合石墨烯、量子点和其他2d材料的集成探测器。在柔性传感器方面，主要研究石墨烯和其他2d材料赋能的柔性传感器，包括光学传感器、rfid、生化传感器、气体传感器、柔性屏和抗菌、超润滑表面等。

 

2019年，上述课题组累计发文15篇，nature、prl、acs系列等顶刊近6篇，发文热点主要集中在二维材料纳机电振子、魔角石墨烯和石墨烯光电领域，

 

nature：魔角双层石墨烯中的超导体、轨道磁体和相关态6

 

超导电性通常发生在接近对称性破坏的母态附近，在掺杂磁性绝缘体中尤为常见。当扭曲相对方位角接近1°时，双层石墨烯具有平坦的莫尔超晶格微小带隙，这些微带已成为一种丰富且高度可调的强相关物理源，特别是在靠近相互作用诱导绝缘态时超导电性出现。该为文章报道了具有非常均匀转角的双层石墨烯器件的制备，发现转角无序的减少揭示了四重自旋/谷简并的所有整数占据下的绝缘态，还观察到三个新的低温下超导穹顶。

 

该研究表明对称破缺态、相互作用驱动绝缘体和超导穹顶在整个莫尔微带都很常见，包括在近电荷中性的情况下。

 

原文链接：lu x, stepanov p, yang w. superconductors, orbital magnets, and correlated states in magic angle bilayer graphene[j]. eprint arxiv:1903.06513, 2019.

 

图6 整数填充相关态与新型超导穹顶

 

 

nano letter：二维mose2晶格热输运的光机测量7

 

纳米机械谐振器常用于开发超高灵敏度传感器。超高感知能力为凝聚态物质的热力学性质研究提供了新的可能性。该文章使用力学感知作为一种新方法来测量低维材料的热性能。该文章测量了单原子层mose2导热系数和比热容随温度的变化，直到低温，这是迄今为止仍然空白的领域。测量结果展示了二维系统中声子是如何传递热量的。热导率和比热容的测量结果与基于第一性原理的预测结果一致。

 

原文链接：morell, n.; tepsic, s.; reserbat-plantey, a.; cepellotti, a.; manca, m.; epstein, i.; isacsson, a.; marie, x.; mauri, f.; bachtold, a., optomechanical measurement of thermal transport in two-dimensional mose2 lattices. nano letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）

 

图7用于热输运测量的光机器件结构及工作原理

 

 

nature communications：光子晶体纳米微腔中石墨烯热电子的热辐射控制

 

控制热辐射是诸多应用的核心，包括传感、能量收集和照明。在纳米尺度图案化金属和半导体中，通过电磁局域态密度可以对热发射谱进行较大修正。然而，这些材料在高温下变得不稳定，制约了辐射效率的提高和热电应用。该文章报道了与光子晶体纳米微腔耦合的石墨烯中的热电子（2000 k）的高温稳定热发射。石墨烯中的电子与晶格声子高度解耦，使得光子晶体纳米微腔获得仅700k的冷却温度。这种热电子与经过局域态密度设计过的基底的热解耦为热发射控制开辟了广阔的设计空间，这对于传统加热的纳米尺度图案化金属或半导体材料来说是几乎不可能的。

 

原文链接：shiue, r.-j.; gao, y.; tan, c.; peng, c.; zheng, j.; efetov, d. k.; kim, y. d.; hone, j.; englund, d., thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. nature communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）

 

图8 空腔石墨烯热发射器件和工作原理

 

 

4 新加坡国立大学先进二维材料研究中心

 

 

新加坡国立大学先进二维材料研究中心（the nus centre for advanced 2d materials，ca2dm）与曼大ngi和剑桥cgc类似，是一所在2d材料发展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在从概念、表征、理论建模和应用等全方位探索和跟进2d材料所带来的革命性技术，因此，ca2dm分为四个大的研究组：（1）石墨烯组；（2）其他2d材料组；（3）2d器件组合；（4）理论组。ca2dm目前是新加坡最大的2d材料综合研究中心，在基于2d材料的基础科学研究和产业化应用方面走在亚洲国家前列。ca2dm主攻的研究方向见下表。

 

 

2019年，ca2dm累计发文96篇，nature正刊1篇、ns子刊、advanced materails, advanced energy materials, nano energy, acs系列等顶刊近40篇，发文几乎涵盖上述各个研究方向，下面仅罗列部分代表作。

 

nature nanotechnology：衬底纹波增强2d材料晶体管性能8

 

二维过渡金属二羟基化合物（tmd）材料虽然在电子学和光电领域有很好的应用前景，但自然环境下的低迁移率限制了其应用。学界不断在探索提高器件性能途径，如对电极、栅介质等进行改进、h-bn封装，但是改善的程度有限。该文章通过改变衬底的表面形貌实现了自然环境条件下tmd场效应晶体管性能2个数量级飞跃，而且饱和电流非常高。该文章认为是机械应力导致了该提升，因为阴历对局域能隙、量子发射特性等均有影响。通过对不同介电材料和形貌的综合研究，研究人员证明，衬底的波纹度增加及其产生的应变场是导致tmd晶体管性能提高的主要因素。这一策略对于其它半导体tmd材料，普遍适用性，为异质集成电子学开辟了新的途径。

 

原文链接：liu, t.; liu, s.; tu, k.-h.; schmidt, h.; chu, l.; xiang, d.; martin, j.; eda, g.; ross, c. a.; garaj, s., crested two-dimensional transistors. nature nanotechnology 2019, 14 (3), 223-226.（10.1038/s41565-019-0361-x）

 

图9 在c-sinx衬底上的高性能mos2 fet

 

 

acs nano：用于中红外应用的波导集成黑磷光电探测器9

 

中红外（mir）覆盖了众多的分子振动指纹，在无标记、无损伤传感方面拥有巨大的的潜力，引起了学界极大的研究兴趣。尽管该领域已经开展了大量研究工作，但片上波导集成传感系统的实现迄今为止进展缓慢。硅与hgcdte、  ⅲ-ⅴ、ⅱ-ⅵ等常用探测材料的巨大晶格失配是阻碍其集成的关键瓶颈。该文章实现了硅（soi）波导与黑磷（bp）光电探测器的集成。在bp的截止波长工作时，利用硅波导和光栅结构中的光约束，克服了bp厚度对吸收长度的限制，增强了光与bp的相互作用。文章比较了不同晶向和厚度的bp器件的响应度和噪声等效功率（nep），研究了3.68~4.03μm的光谱响应。此外，还研究了响应率与功率关系和栅可调谐光电流。在1v的偏压下，bp光电探测器在3.68μm和4μm处的响应度分别为23a/w和2a/w，室温下的nep小于1nw/hz1/2。无源硅光子学和有源bp光电探测器的集成有望为mir片上集成系统的实现提供一条潜在的途径。

 

原文链接：huang, l.; dong, b.; guo, x.; chang, y.; chen, n.; huang, x.; liao, w.; zhu, c.; wang, h.; lee, c.; ang, k.-w., waveguide-integrated black phosphorus photodetector for mid-infrared applications. acs nano 2019, 13 (1), 913-921.（10.1021/acsnano.8b08758）

 

图10 波导集成黑磷光电探测器结构

 

 

acs nano：应用于 1t’-mose2生长的au（111）界面设计10

 

二维过渡金属硫化物（tmdcs）的相控合成备受关注，因为tmdcs的不同相具有截然不同的性质。然而，由于金属相 ⅵ族tmdcs的亚稳定性使得制备金属相非常困难。在单层水平上，界面设计可以用来稳定亚稳相。该文章通过分子束外延证明了单层1h-或1t’-mose2在au（111）上的选择性生长，利用扫描隧道显微镜和光谱可以清楚地区分这两个相。1h- mose2偏好于在au（111）上生长，1t’-mose2偏好于在预先沉积有se的au（111）上生长。衬底预处理方法同样适用于其它ⅵ族tmdcs在au（111）上的相控外延生长。

 

原文链接：cheng, f.; hu, z.; xu, h.; shao, y.; su, j.; chen, z.; ji, w.; loh, k. p., interface engineering of au(111) for the growth of 1t′-mose2. acs nano 2019, 13 (2), 2316-2323.（10.1021/acsnano.8b09054）

 

图11 1h-和1t’-mose2在au（111）上的选择性生长

 

 

5 韩国三星综合技术院

 

 

韩国三星综合技术院（samsung advanced institute of technology，sait）隶属于三星集团探索与发展事业集群，建立宗旨是“无限探求”（boudless research for breakthrough）前沿科技，其核心使命包括：（1）为新市场研究领先的或原创技术；（2）促进技术融合创新；（3）推动纳米科技发展；（4）研究颠覆性技术。sait同时也是包括三星电子在内的整个三星集团首席技术顾问，为整个集团研发策略负责。韩国石墨烯产业发展产学研结合紧密，在基础研究及产业化方面发展较为均衡，特别是在产业企业层面，sait投入了巨大研发力量，保证了其在石墨烯应用于柔性显示、触摸屏以及芯片等领域的国际领先地位。据saitj9九游会登录入口官网数据统计，2019年，sait累计发文24篇，令人惊讶的是2d材料相关论文仅2篇，一篇关于二硫化钼忆阻器，发表于acs nano，一篇关于碳纳米管柔性传感器11，发表于nature communication。事实上，三星综合技术院在高密度快充锂离子电池的石墨烯基j9九游会真人游戏第一品牌的解决方案持续深耕多年。2017年，nature communication报道了三星基于石墨烯球的高密度快充锂离子电池成果12；最近，graphene –info网传三星拟在明年将该技术应用于旗下智能手机中，且充电速度达到传统锂电池5倍。今年年内，未见sait在相关方向发表论文，有可能是处于商业机密的原因。三星综合技术院在石墨烯应用研究领域务实推进的策略值得国内学习。

 

nature communications：石墨烯球助力高能量密度、快充锂电池12

 

对于锂电池，在不牺牲其他特性的前提下改善某种性能是一个挑战。该文章报道了一种化学气相沉积法生长的石墨烯球：石墨烯-二氧化硅组装体。其以氧化硅纳米颗粒为中心的分层三维结构，使得即使是1wt%的石墨烯球也可通过可伸缩nobilta研磨工艺均匀地涂覆在富镍层状阴极上。石墨烯球涂层可抑制有害的副反应，并提供有效的导电途径，显著提高了电池循环寿命和快充能力。石墨烯球本身也可用作比容量为716.2 mahg−1的阳极材料。与不含石墨烯球的电池相比，含石墨烯球电池的能量密度增加了27.6%，展示了在商业电池中实现800 whl-1的可能性，以及500次循环后保持78.6%容量的高循环性。

 

原文链接：son, i. h.; park, j. h.; park, s.; park, k.; han, s.; shin, j.; doo, s.-g.; hwang, y.; chang, h.; choi, j. w., graphene balls for lithium rechargeable batteries with fast charging and high volumetric energy densities. nature communications 2017, 8 (1), 1561.（10.1038/s41467-017-01823-7）

 

图12 二氧化硅纳米颗粒上石墨烯小球生长示意图

 

 

图13 石墨烯球sem图

 

 

参考文献

berdyugin, a. i.; xu, s. g.; pellegrino, f. m. d.; krishna kumar, r.; principi, a.; torre, i.; ben shalom, m.; taniguchi, t.; watanabe, k.; grigorieva, i. v.; polini, m.; geim, a. k.; bandurin, d. a., measuring hall viscosity of graphene’s electron fluid. science 2019,364(6436), 162.

alexeev, e. m.; ruiz-tijerina, d. a.; danovich, m.; hamer, m. j.; terry, d. j.; nayak, p. k.; ahn, s.; pak, s.; lee, j.; sohn, j. i.; molas, m. r.; koperski, m.; watanabe, k.; taniguchi, t.; novoselov, k. s.; gorbachev, r. v.; shin, h. s.; fal’ko, v. i.; tartakovskii, a. i., resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der waals heterostructures. nature 2019,567(7746), 81-86.

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