（文章來(lái)源：材料牛）

 

石墨烯作為第一種被發(fā)現(xiàn)的二維材料，自2004 年問(wèn)世以來(lái)，就迅速吸引了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注和研究興趣。盡管已經(jīng)15年過(guò)去，但是，石墨烯以及相關(guān)二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領(lǐng)域不斷被開(kāi)拓。石墨烯集卓越的力學(xué)性能、電學(xué)性能和導(dǎo)熱性能于一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術(shù)的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動(dòng)的新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)成為未來(lái)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必爭(zhēng)戰(zhàn)略高地，世界各國(guó)紛紛成立石墨烯研究中心，開(kāi)始一場(chǎng)圍繞新材料的“科技競(jìng)賽”，誰(shuí)掌握了二維材料的技術(shù)，誰(shuí)就有可能掌握通向未來(lái)之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國(guó)家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點(diǎn)研究方向以及19年來(lái)這些研究中心的成果產(chǎn)出，為國(guó)內(nèi)二維材料的研究方向選擇以及未來(lái)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)提供有價(jià)值參考。

 

1 曼徹斯特石墨烯國(guó)家研究院

 

 

石墨烯問(wèn)世于曼徹斯特大學(xué)，曼大石墨烯國(guó)家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當(dāng)前英國(guó)乃至世界石墨烯相關(guān)研究的策源地。NGI核心使命在于不斷開(kāi)拓二維（2D）材料科學(xué)與應(yīng)用前沿領(lǐng)域，兼顧石墨烯以及二維材料產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化。以NGI為中心，石墨烯工程創(chuàng)新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發(fā)展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業(yè)應(yīng)用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級(jí)科學(xué)家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學(xué)家Vladimir Falko、材料學(xué)家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態(tài)物理、介觀物理與納米技術(shù)、納米功能材料、光子學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、通信應(yīng)用等多學(xué)科領(lǐng)域。作為2D材料領(lǐng)域的先驅(qū)，NGI發(fā)揮著思想引擎的作用，引領(lǐng)2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點(diǎn)，見(jiàn)下表。

 

 

2019年，NGI累積發(fā)表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計(jì)約19篇。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，NGI近半數(shù)新發(fā)頂刊研究?jī)?nèi)容與2D材料異質(zhì)結(jié)關(guān)聯(lián)，主要報(bào)道異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現(xiàn)象，重點(diǎn)聚焦基礎(chǔ)物理領(lǐng)域。

 

Science：測(cè)量石墨烯電子流體的霍爾粘度1

 

處于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體流過(guò)電流時(shí)會(huì)出現(xiàn)霍爾效應(yīng)。但是，霍爾粘度，一個(gè)很久以來(lái)就被理論所確定的無(wú)耗散系數(shù)，在實(shí)驗(yàn)上卻很難實(shí)現(xiàn)觀測(cè)或測(cè)量。該文章報(bào)道了高粘性電子體系所觀測(cè)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)霍爾效應(yīng)行為的定性偏差。進(jìn)一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產(chǎn)生一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)霍爾效應(yīng)所生成電場(chǎng)相反的電場(chǎng)來(lái)響應(yīng)非量化磁場(chǎng)。粘性的貢獻(xiàn)是顯著的且已被確認(rèn)。研究人員通過(guò)大溫區(qū)內(nèi)反常行為的分析，提取出了學(xué)界尋找已久的霍爾粘度。

 

原文鏈接：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）

 

圖1 磁場(chǎng)對(duì)粘性電子流體的影響。

 

 

（A，B）靠近電流注入點(diǎn)理論石墨烯電子流體電勢(shì)分布；（C）普通霍爾效應(yīng)對(duì)圖B的貢獻(xiàn)；（d）霍爾粘性對(duì)圖B的貢獻(xiàn)；（e）其中一個(gè)測(cè)試樣品的光學(xué)圖片和VR測(cè)試示意圖；（f）不同磁場(chǎng)下VR測(cè)試結(jié)果。

 

Nature：在范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中莫爾超晶格中的共振雜化激子2

 

原子級(jí)2D材料通過(guò)范德華力進(jìn)行垂直堆疊組裝，可以使來(lái)自不同2D材料的單原子層通過(guò)晶格失配和任意轉(zhuǎn)角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經(jīng)觀察到了石墨烯能帶打開(kāi)微小的帶隙。在旋轉(zhuǎn)Gra/Gra雙層結(jié)構(gòu)中，由于層間共振，該效應(yīng)更加顯著，并使得在魔角出現(xiàn)超導(dǎo)-絕緣轉(zhuǎn)變。該文章通過(guò)組裝單層MoSe2和WS2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，證明了激子能帶可以雜化，并導(dǎo)致莫爾超晶格效應(yīng)共振增強(qiáng)。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導(dǎo)帶邊緣都是接近簡(jiǎn)并的，非常相似。當(dāng)激子能量以層間轉(zhuǎn)角周期性移動(dòng)，雜化現(xiàn)象出現(xiàn)。該發(fā)現(xiàn)為異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件的能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的策略。

 

原文鏈接：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）

 

圖2 MoSe2和WS2異質(zhì)結(jié)樣品；MoSe2和WS2能帶結(jié)構(gòu)與布里淵區(qū)對(duì)準(zhǔn)；吸收譜與轉(zhuǎn)角的關(guān)系。

 

 

Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強(qiáng)烈紅外與太赫茲磁光效應(yīng)3

 

當(dāng)二維電子氣（2DEGs）放置在磁場(chǎng)中，電子在不同的朗道能級(jí)之間躍遷而吸收電磁波。理論預(yù)測(cè)，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗(yàn)報(bào)道結(jié)果中，該磁光效應(yīng)異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導(dǎo)致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測(cè)量系統(tǒng)，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測(cè)量磁傳輸與法拉第旋轉(zhuǎn)。研究發(fā)現(xiàn)在紅外和太赫茲段出現(xiàn)強(qiáng)烈的磁光活動(dòng)，包括吸收接近50%這個(gè)極限、100%磁圓形二項(xiàng)色性和高法拉第旋轉(zhuǎn)。該發(fā)現(xiàn)證明2D狄拉克材料通過(guò)磁調(diào)諧在長(zhǎng)波長(zhǎng)光電器件和等離激元器件中的應(yīng)用潛力。

 

原文鏈接：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）

 

圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內(nèi)朗道能級(jí)躍遷。

 

 

(a) 理論朗道能級(jí)與磁場(chǎng)的關(guān)系；(b) 磁光試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；(c) 試驗(yàn)樣品光學(xué)照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場(chǎng)和光子能量的關(guān)系；(f) 4.17T吸收譜

 

2 劍橋石墨烯研究中心

 

 

劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國(guó)石墨烯協(xié)同創(chuàng)新組織的一部分。CGC的定位是工程創(chuàng)新中心，主要任務(wù)是橋接學(xué)界和工業(yè)界，推動(dòng)石墨烯及2D材料的產(chǎn)業(yè)化，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)2D材料相關(guān)的應(yīng)用。投資CGC的主要目的在于填補(bǔ)兩個(gè)方面的空白：（1）面向工業(yè)生產(chǎn)，研究中試工藝設(shè)備體系，測(cè)試與優(yōu)化基于石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術(shù)；（2）面向自供能、無(wú)線互聯(lián)等對(duì)能源存儲(chǔ)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關(guān)材料賦能新型柔性、節(jié)能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰(zhàn)。為逐步攻克上述難關(guān)，CGC從四個(gè)大方向布局2D材料相關(guān)研究：（1）材料的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移和打印；（2）能源應(yīng)用；（3）器件互聯(lián)；（4）傳感器應(yīng)用。目前，在2D材料領(lǐng)域比較活躍的課題組主要有：

 

（1）聚焦納米材料生長(zhǎng)和仿生功能器件的Hofman課題組；

 

（2）聚焦于CNT、2D材料非線性光學(xué)在光子器件應(yīng)用的納米材料與光譜課題組（NMS）；

 

（3）聚焦于2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應(yīng)用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。

 

2019年，上述課題組累計(jì)發(fā)文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發(fā)文熱點(diǎn)主要集中在2D材料的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個(gè)領(lǐng)域。

 

ACS Nano：面向集成制造的大面積單層六方氮化硼轉(zhuǎn)移方法4

 

h-BN之外唯一已知的結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、單原子薄層構(gòu)成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤(rùn)滑劑，但它在原子級(jí)薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實(shí)際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴于從小體積微晶中剝離出來(lái)的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴(kuò)展性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該文章重點(diǎn)聚焦在對(duì)Pt催化h-BN晶體形成的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，通過(guò)集成化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰(zhàn)，該工藝使h-BN單晶尺寸超過(guò)0.5 mm，并在45分鐘內(nèi)連續(xù)生長(zhǎng)形成原子級(jí)連續(xù)薄膜。該工藝?yán)昧松逃玫目芍貜?fù)使用的鉑箔，并允許通過(guò)剝離的方式簡(jiǎn)單干凈地轉(zhuǎn)移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，并且盡量減少界面污染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結(jié)合，并且能夠?qū)VD h-BN集成到高質(zhì)量、可靠的2d材料器件層堆棧中

 

原文鏈接：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）

 

圖4 h-BN CVD生長(zhǎng)和異質(zhì)結(jié)轉(zhuǎn)移堆疊過(guò)程

 

 

Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5

 

印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經(jīng)引起了很多關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的印刷工藝需要平坦的表面，并且不能在3D物體上實(shí)現(xiàn)圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實(shí)現(xiàn)功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配制具有最佳導(dǎo)電性的不溶性石墨烯墨水，然后使用常規(guī)絲網(wǎng)印刷將單層和多層電功能結(jié)構(gòu)印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉(zhuǎn)移到水上，使?fàn)奚鼘尤芙猓瑫r(shí)保留功能圖案，最后將單層和多層圖圖案化器件直接轉(zhuǎn)移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術(shù)，可以在硬質(zhì)、柔性質(zhì)基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進(jìn)行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應(yīng)變傳感器和臨近傳感器。這種簡(jiǎn)單的策略有望為傳統(tǒng)3D表面添加新的設(shè)備和傳感功能。

 

原文鏈接：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）

 

圖5 不同3D物體上的保形印刷

 

 

3 西班牙光電科學(xué)研究所

 

 

西班牙光電科學(xué)研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注于光電研究的世界級(jí)研究中心，網(wǎng)羅世界范圍內(nèi)高端光電領(lǐng)域基礎(chǔ)與應(yīng)用研究科學(xué)家，立志于解決光電前沿領(lǐng)域的未知問(wèn)題，推動(dòng)先進(jìn)光電技術(shù)的應(yīng)用。鑒于石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發(fā)展，與量子和納米生物學(xué)并列，ICFO獨(dú)立開(kāi)辟石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統(tǒng)光電材料，解決當(dāng)前光電領(lǐng)域所面臨的困難和挑戰(zhàn)。基礎(chǔ)科學(xué)探索與新興應(yīng)用研究并舉，ICFO在基礎(chǔ)科學(xué)和在新興應(yīng)用分別確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應(yīng)用途徑，并通過(guò)新型功能材料和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研發(fā)可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點(diǎn)是基于石墨烯納機(jī)電振子的超分辨質(zhì)譜儀和光力系統(tǒng)，并行開(kāi)展基于石墨烯的中紅外探測(cè)器、氣體探測(cè)器和應(yīng)用于DNA、蛋白質(zhì)等的生化傳感器。在表面等離激元光子學(xué)方面，主要研究石墨烯等離激元的電調(diào)控與探測(cè)、基于石墨烯等離激元的光調(diào)制等等。在基礎(chǔ)光學(xué)方面，主要研究納米量子光學(xué)、人造石墨烯、超快光學(xué)以及石墨烯非線性光學(xué)等。在成像系統(tǒng)應(yīng)用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見(jiàn)光-紅外的基于COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應(yīng)用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測(cè)系統(tǒng)，能夠有效檢測(cè)血氧等多健康參量。在光電探測(cè)器方面，主要研究基于寬帶吸收的超寬帶探測(cè)器以及結(jié)合石墨烯、量子點(diǎn)和其他2D材料的集成探測(cè)器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學(xué)傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤(rùn)滑表面等。

 

2019年，上述課題組累計(jì)發(fā)文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發(fā)文熱點(diǎn)主要集中在二維材料納機(jī)電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領(lǐng)域，

 

Nature：魔角雙層石墨烯中的超導(dǎo)體、軌道磁體和相關(guān)態(tài)6

 

超導(dǎo)電性通常發(fā)生在接近對(duì)稱性破壞的母態(tài)附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見(jiàn)。當(dāng)扭曲相對(duì)方位角接近1°時(shí)，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調(diào)的強(qiáng)相關(guān)物理源，特別是在靠近相互作用誘導(dǎo)絕緣態(tài)時(shí)超導(dǎo)電性出現(xiàn)。該為文章報(bào)道了具有非常均勻轉(zhuǎn)角的雙層石墨烯器件的制備，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角無(wú)序的減少揭示了四重自旋/谷簡(jiǎn)并的所有整數(shù)占據(jù)下的絕緣態(tài)，還觀察到三個(gè)新的低溫下超導(dǎo)穹頂。

 

該研究表明對(duì)稱破缺態(tài)、相互作用驅(qū)動(dòng)絕緣體和超導(dǎo)穹頂在整個(gè)莫爾微帶都很常見(jiàn)，包括在近電荷中性的情況下。

 

原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.

 

圖6 整數(shù)填充相關(guān)態(tài)與新型超導(dǎo)穹頂

 

 

Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運(yùn)的光機(jī)測(cè)量7

 

納米機(jī)械諧振器常用于開(kāi)發(fā)超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態(tài)物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)研究提供了新的可能性。該文章使用力學(xué)感知作為一種新方法來(lái)測(cè)量低維材料的熱性能。該文章測(cè)量了單原子層MoSe2導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領(lǐng)域。測(cè)量結(jié)果展示了二維系統(tǒng)中聲子是如何傳遞熱量的。熱導(dǎo)率和比熱容的測(cè)量結(jié)果與基于第一性原理的預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

 

原文鏈接：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）

 

圖7用于熱輸運(yùn)測(cè)量的光機(jī)器件結(jié)構(gòu)及工作原理

 

 

Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制

 

控制熱輻射是諸多應(yīng)用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導(dǎo)體中，通過(guò)電磁局域態(tài)密度可以對(duì)熱發(fā)射譜進(jìn)行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩(wěn)定，制約了輻射效率的提高和熱電應(yīng)用。該文章報(bào)道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩(wěn)定熱發(fā)射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經(jīng)過(guò)局域態(tài)密度設(shè)計(jì)過(guò)的基底的熱解耦為熱發(fā)射控制開(kāi)辟了廣闊的設(shè)計(jì)空間，這對(duì)于傳統(tǒng)加熱的納米尺度圖案化金屬或半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)是幾乎不可能的。

 

原文鏈接：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）

 

圖8 空腔石墨烯熱發(fā)射器件和工作原理

 

 

4 新加坡國(guó)立大學(xué)先進(jìn)二維材料研究中心

 

 

新加坡國(guó)立大學(xué)先進(jìn)二維材料研究中心（The NUS Centre for Advanced 2D Materials，CA2DM）與曼大NGI和劍橋CGC類似，是一所在2D材料發(fā)展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在從概念、表征、理論建模和應(yīng)用等全方位探索和跟進(jìn)2D材料所帶來(lái)的革命性技術(shù)，因此，CA2DM分為四個(gè)大的研究組：（1）石墨烯組；（2）其他2D材料組；（3）2D器件組合；（4）理論組。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料綜合研究中心，在基于2D材料的基礎(chǔ)科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面走在亞洲國(guó)家前列。CA2DM主攻的研究方向見(jiàn)下表。

 

 

2019年，CA2DM累計(jì)發(fā)文96篇，Nature正刊1篇、NS子刊、Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS系列等頂刊近40篇，發(fā)文幾乎涵蓋上述各個(gè)研究方向，下面僅羅列部分代表作。

 

Nature Nanotechnology：襯底紋波增強(qiáng)2D材料晶體管性能8

 

二維過(guò)渡金屬二羥基化合物（TMD）材料雖然在電子學(xué)和光電領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，但自然環(huán)境下的低遷移率限制了其應(yīng)用。學(xué)界不斷在探索提高器件性能途徑，如對(duì)電極、柵介質(zhì)等進(jìn)行改進(jìn)、h-BN封裝，但是改善的程度有限。該文章通過(guò)改變襯底的表面形貌實(shí)現(xiàn)了自然環(huán)境條件下TMD場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能2個(gè)數(shù)量級(jí)飛躍，而且飽和電流非常高。該文章認(rèn)為是機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致了該提升，因?yàn)殛帤v對(duì)局域能隙、量子發(fā)射特性等均有影響。通過(guò)對(duì)不同介電材料和形貌的綜合研究，研究人員證明，襯底的波紋度增加及其產(chǎn)生的應(yīng)變場(chǎng)是導(dǎo)致TMD晶體管性能提高的主要因素。這一策略對(duì)于其它半導(dǎo)體TMD材料，普遍適用性，為異質(zhì)集成電子學(xué)開(kāi)辟了新的途徑。

 

原文鏈接：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）

 

圖9 在c-SiNx襯底上的高性能MoS2 FET

 

 

ACS Nano：用于中紅外應(yīng)用的波導(dǎo)集成黑磷光電探測(cè)器9

 

中紅外（MIR）覆蓋了眾多的分子振動(dòng)指紋，在無(wú)標(biāo)記、無(wú)損傷傳感方面擁有巨大的的潛力，引起了學(xué)界極大的研究興趣。盡管該領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了大量研究工作，但片上波導(dǎo)集成傳感系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)迄今為止進(jìn)展緩慢。硅與HgCdTe、  Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ等常用探測(cè)材料的巨大晶格失配是阻礙其集成的關(guān)鍵瓶頸。該文章實(shí)現(xiàn)了硅（SOI）波導(dǎo)與黑磷（BP）光電探測(cè)器的集成。在BP的截止波長(zhǎng)工作時(shí)，利用硅波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)中的光約束，克服了BP厚度對(duì)吸收長(zhǎng)度的限制，增強(qiáng)了光與BP的相互作用。文章比較了不同晶向和厚度的BP器件的響應(yīng)度和噪聲等效功率（NEP），研究了3.68~4.03μm的光譜響應(yīng)。此外，還研究了響應(yīng)率與功率關(guān)系和柵可調(diào)諧光電流。在1V的偏壓下，BP光電探測(cè)器在3.68μm和4μm處的響應(yīng)度分別為23A/W和2A/W，室溫下的NEP小于1Nw/Hz1/2。無(wú)源硅光子學(xué)和有源BP光電探測(cè)器的集成有望為MIR片上集成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供一條潛在的途徑。

 

原文鏈接：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）

 

圖10 波導(dǎo)集成黑磷光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)

 

 

ACS Nano：應(yīng)用于 1T’-MoSe2生長(zhǎng)的Au（111）界面設(shè)計(jì)10

 

二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）的相控合成備受關(guān)注，因?yàn)門MDCs的不同相具有截然不同的性質(zhì)。然而，由于金屬相 Ⅵ族TMDCs的亞穩(wěn)定性使得制備金屬相非常困難。在單層水平上，界面設(shè)計(jì)可以用來(lái)穩(wěn)定亞穩(wěn)相。該文章通過(guò)分子束外延證明了單層1H-或1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長(zhǎng)，利用掃描隧道顯微鏡和光譜可以清楚地區(qū)分這兩個(gè)相。1H- MoSe2偏好于在Au（111）上生長(zhǎng)，1T’-MoSe2偏好于在預(yù)先沉積有Se的Au（111）上生長(zhǎng)。襯底預(yù)處理方法同樣適用于其它Ⅵ族TMDCs在Au（111）上的相控外延生長(zhǎng)。

 

原文鏈接：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）

 

圖11 1H-和1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長(zhǎng)

 

 

5 韓國(guó)三星綜合技術(shù)院

 

 

韓國(guó)三星綜合技術(shù)院（Samsung Advanced Institute of Technology，SAIT）隸屬于三星集團(tuán)探索與發(fā)展事業(yè)集群，建立宗旨是“無(wú)限探求”（Boudless research for breakthrough）前沿科技，其核心使命包括：（1）為新市場(chǎng)研究領(lǐng)先的或原創(chuàng)技術(shù)；（2）促進(jìn)技術(shù)融合創(chuàng)新；（3）推動(dòng)納米科技發(fā)展；（4）研究顛覆性技術(shù)。SAIT同時(shí)也是包括三星電子在內(nèi)的整個(gè)三星集團(tuán)首席技術(shù)顧問(wèn)，為整個(gè)集團(tuán)研發(fā)策略負(fù)責(zé)。韓國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)學(xué)研結(jié)合緊密，在基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展較為均衡，特別是在產(chǎn)業(yè)企業(yè)層面，SAIT投入了巨大研發(fā)力量，保證了其在石墨烯應(yīng)用于柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。據(jù)SAIT官網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年，SAIT累計(jì)發(fā)文24篇，令人驚訝的是2D材料相關(guān)論文僅2篇，一篇關(guān)于二硫化鉬憶阻器，發(fā)表于ACS Nano，一篇關(guān)于碳納米管柔性傳感器11，發(fā)表于Nature Communication。事實(shí)上，三星綜合技術(shù)院在高密度快充鋰離子電池的石墨烯基解決方案持續(xù)深耕多年。2017年，Nature Communication報(bào)道了三星基于石墨烯球的高密度快充鋰離子電池成果12；最近，Graphene –info網(wǎng)傳三星擬在明年將該技術(shù)應(yīng)用于旗下智能手機(jī)中，且充電速度達(dá)到傳統(tǒng)鋰電池5倍。今年年內(nèi)，未見(jiàn)SAIT在相關(guān)方向發(fā)表論文，有可能是處于商業(yè)機(jī)密的原因。三星綜合技術(shù)院在石墨烯應(yīng)用研究領(lǐng)域務(wù)實(shí)推進(jìn)的策略值得國(guó)內(nèi)學(xué)習(xí)。

 

Nature Communications：石墨烯球助力高能量密度、快充鋰電池12

 

對(duì)于鋰電池，在不犧牲其他特性的前提下改善某種性能是一個(gè)挑戰(zhàn)。該文章報(bào)道了一種化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)的石墨烯球：石墨烯-二氧化硅組裝體。其以氧化硅納米顆粒為中心的分層三維結(jié)構(gòu)，使得即使是1wt%的石墨烯球也可通過(guò)可伸縮Nobilta研磨工藝均勻地涂覆在富鎳層狀陰極上。石墨烯球涂層可抑制有害的副反應(yīng)，并提供有效的導(dǎo)電途徑，顯著提高了電池循環(huán)壽命和快充能力。石墨烯球本身也可用作比容量為716.2 mAhg−1的陽(yáng)極材料。與不含石墨烯球的電池相比，含石墨烯球電池的能量密度增加了27.6%，展示了在商業(yè)電池中實(shí)現(xiàn)800 WhL-1的可能性，以及500次循環(huán)后保持78.6%容量的高循環(huán)性。

 

原文鏈接：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）

 

圖12 二氧化硅納米顆粒上石墨烯小球生長(zhǎng)示意圖

 

 

圖13 石墨烯球SEM圖

 

 

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