上海微系统所在大尺寸石墨烯制备及导热应用方面获进展

上海微系统所在大尺寸石墨烯制备及导热应用方面获进展石墨烯材料的可控制备是石墨烯行业的基础，更是石墨烯在下游应用中充分发挥性能优势的关键。在批量制造石墨烯材料的过程中，精确控制石墨烯片层厚度、横向尺寸和化学结构等参数已成为石墨烯在热管理、新能源、纤维等领域应用的瓶颈。鳞片石墨剥离技术是发展最为成熟的石墨烯规模化制备技术之一，该方法已实现石墨烯片层厚度和化学结构的精确控制，但在横向尺寸调控方面仍面临挑战，典型的石墨烯横向尺寸分布在几百纳米到几个微米以内。单一石墨烯片的的横向尺寸越大，所组装构建的宏观结构在导热、导电和力学等性能方面具有更大的提升潜力和空间。因此，亟待发展横向尺寸在几十微米、甚至几百微米的大尺寸石墨烯材料规模化高效可控制备技术，而实现这一目标必须从制备机理上创新和突破。近日，针对传统技术利用长时间、强氧化剂环境氧化剥离石墨存在剪切破碎严重、横向尺寸难保持等关键科学问题，中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧课题组在前期独创的“离域电化学解理”方法（ChemicalEngineeringJournal）和“预解理再剥离”技术（Carbon）的基础上，提出了“氧化新鲜石墨烯网络结构”新策略。该策略首先利用离域电化学法深度解理石墨获得多孔的石墨烯网络结构，然后对获得的石墨烯多孔网络结构进行氧化剥离，因多孔网络结构为氧化剂的输运提供了高速通道，实现了氧化剂当量和氧化剥离时间的同步大幅减小（图1a），氧化剂当量从通常报道的2-5减少至1，氧化时间从通常的3-5h下降到1h，为大尺寸石墨烯材料的制备提供了新思路。图1.（a）“氧化石墨烯网络结构”策略示意图；（b）大尺寸氧化石墨烯横向尺寸及分布；（c）大尺寸氧化石墨烯的晶格结构分析；（d、e）“氧化新鲜石墨烯网络”策略的优势。该方法在不引入后续筛选处理的情况下实现了大尺寸高晶格质量氧化石墨烯的高效制备。将石墨剥离过程中横向尺寸保持率提高到目前文献报道最好水平的1.5-2倍，将氧化石墨烯的平均尺寸极限从~120μm提升到~180μm（图1b）。结构表征数据表明，所制备的水相可分散大尺寸氧化石墨烯具有完全不同于传统氧化石墨烯的晶格结构，也不同于一般的石墨烯，是介于氧化石墨烯和高质量石墨烯之间的一种特殊结构石墨烯材料。氧化剂当量和氧化时间同时减少抑制了石墨/石墨烯碎裂，并在很大程度上保留了石墨原料的sp2结构，在剥离形成的石墨烯片中形成了“晶区网络包围非晶区岛”的特殊晶格结构（图1c）。机理研究发现，深度预解理石墨结构并保持其“新鲜性”对于石墨烯横向尺寸保持至关重要，传统方法在预解理和氧化剥离体系之间切换时引入的洗涤干燥等过程不可忽视。现有预解理方法较难将石墨解理成石墨烯网络结构，且溶液体系切换不可避免的片层“回叠”效应在很大程度上破坏了新构建的氧化剂输运通道。相反，“离域电化学解理”体系较好地匹配了氧化剥离体系，从根本上避免了不同体系...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1303311.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1303311.htm

研究：新方法有望制造性能更好的低成本光电材料

研究：新方法有望制造性能更好的低成本光电材料一项新发表在英国《自然》期刊上的国际研究表明，用一种新方法对半导体材料氧化亚铜进行“扭曲”后，发现其捕获光能后转化为可用电能的性能提升70%。这种方法有望制造性能更好的低成本光电材料。新华社报道，铜氧化物是价格低廉、储量丰富的半导体材料，具有良好的导电性和光学性能，可用于制造太阳能电池、光电器件、传感器等。铜氧化物虽然在捕捉阳光并将其转化为电荷方面相当有效，但容易丢失电荷，材料性能有限。研究人员说，他们发现电荷在这种半导体材料中沿着对角线方向移动时，比沿着表面或边缘移动要远得多，而能让电荷移动得更远就意味着材料性能更好。为优化这种低成本材料的性能，研究人员利用薄膜沉积技术，在常温常压下制备出高质量的氧化亚铜晶体薄膜，通过精确控制晶体的生长和流速，使晶体的生长方向“扭向”对角线方向，并观察晶体的生长方向如何影响电荷在材料中的有效移动。他们发现，对这种新技术制造的氧化亚铜光电阴极的测试表明，与现有的电沉积氧化物制成的光电阴极相比，性能提高70%以上，同时晶体薄膜稳定性也显著提升。2024年5月5日1:55PM

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素华盛顿大学领导的研究小组发现，将石墨烯薄片以很小的扭曲角度堆叠在块状石墨上（上图），石墨烯-石墨界面（黄色）上的"奇异"特性就会渗入石墨本身。资料来源：埃利斯-汤普森多年来，科学家们一直在探索由单层原子组成的二维材料的潜力，以彻底改变计算、通信和能源等各个领域。在这些材料中，电子等亚原子粒子只能在二维空间运动，这导致了电子的异常行为和所谓的"奇异"特性。这些特性包括奇异的磁性、超导性和电子间的其他集体行为--所有这些都可能在计算、通信、能源和其他领域大有用武之地。传统上，研究人员认为这些奇异的二维特性只存在于单层薄片或短堆栈中，而这些材料的所谓"块体"版本则由于其复杂的三维原子结构而表现出不同的行为。与上述假设相反，华盛顿大学领导的研究小组于7月19日在《自然》杂志上发表的一项突破性研究表明，有可能赋予石墨这种日常铅笔中的大块三维材料以类似于其二维对应物石墨烯的特性。这一突破不仅出乎意料，研究小组还认为其方法可用于测试类似类型的块状材料是否也能具有类似二维的特性。如果是这样，二维薄片将不会是科学家们推动技术革命的唯一来源，块状三维材料可能同样有用。"将单层堆叠在单层上--或将两层堆叠在两层上--几年来一直是揭示二维材料新物理特性的重点。在这些实验方法中，出现了许多有趣的特性，"资深作者、华大物理学和材料科学与工程学助理教授马修-扬科维茨（MatthewYankowitz）说。"但是，如果不断增加层数会发生什么呢？最终，它必须停止，对吗？这就是直觉的暗示。但在这种情况下，直觉是错误的。在三维材料中混合二维特性是可能的。"由大阪大学和日本国立材料科学研究所的学者组成的研究小组采用了一种常用的方法来处理二维材料。他们以很小的扭曲角度将二维薄片堆叠在一起。研究人员将单层石墨烯置于薄的块状石墨晶体之上，并在两者之间引入了约1度的扭曲角。他们不仅在扭曲的界面上，而且在块状石墨内部发现了新颖的、意想不到的电学特性。Yankowitz同时也是华大清洁能源研究所和华大纳米工程系统研究所的教员，他解释说，扭曲角对于产生这些特性至关重要。二维薄片（如两片石墨烯）之间的扭曲角度会产生所谓的摩尔纹，从而改变电子等带电粒子的流动，诱导材料产生奇特的性质。在石墨和石墨烯的实验中，扭转角度也诱发了摩尔纹，产生了令人惊讶的结果。仅在石墨烯-石墨界面引入的扭曲改变了整个石墨材料的电特性。当施加磁场时，石墨晶体深处的电子表现出与扭曲界面类似的异常特性。从本质上讲，单个扭曲的石墨烯-石墨界面变得与块状石墨的其他部分密不可分地混合在一起。"虽然我们只是在石墨表面产生摩尔纹，但由此产生的特性却渗透到整个晶体中，"共同第一作者、华盛顿大学物理学博士后研究员达肯-沃特斯（DacenWaters）说。对于二维薄片来说，摩尔纹产生的特性可用于量子计算和其他应用。在三维材料中诱导类似的现象，将为研究不寻常和奇异的物质状态以及如何将它们带出实验室、带入我们的日常生活提供新的方法。共同第一作者、华盛顿大学物理学博士生埃利斯-汤普森（EllisThompson）说："整个晶体都呈现出这种二维状态。这是影响块体材料中电子行为的一种全新方式。"扬科维茨和他的团队认为，他们在石墨烯和块状石墨晶体之间产生扭转角的方法可以用来制造其姊妹材料的2D-3D混合体，包括二碲化钨和五碲化锆。这将开启一种新方法，利用单一二维界面重新设计传统块体材料的特性。Yankowitz说："这种方法可以成为研究具有混合二维和三维特性的材料中令人兴奋的新物理现象的一个真正丰富的乐园。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371903.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371903.htm

研究人员实现用飞秒激光进行石墨烯纳米加工

研究人员实现用飞秒激光进行石墨烯纳米加工石墨烯于2004年被发现，它已经彻底改变了各种科学领域。它拥有高电子迁移率、机械强度和热导率等显著特性。人们投入了大量的时间和精力来探索它作为下一代半导体材料的潜力，催生了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器等一系列有用部件。但是，为了使这些设备进入实际应用，关键是要有高效的加工技术，可以在微米和纳米尺度上构造石墨烯薄膜。通常，微/纳米尺度的材料加工和设备制造采用纳米光刻技术和聚焦离子束方法。然而，由于需要大规模的设备、冗长的制造时间和复杂的操作，这些都给实验室研究人员带来了长期的挑战。早在一月份，东北大学的研究人员创造了一种技术，可以对厚度为5至50纳米的氮化硅薄片进行微/纳米制造。该方法采用了飞秒激光，它发射出极短的快速光脉冲。事实证明，它能够在没有真空环境的情况下快速、方便地加工薄型材料。(a)激光加工系统的示意图。(b)石墨烯薄膜上32个激光点的形成。(c)经过多点钻孔的石墨烯薄膜的图像。通过将这种方法应用于石墨烯的超薄原子层，同一小组现在已经成功地进行了多点钻孔而不损坏石墨烯薄膜。他们的突破性细节于2023年5月16日在《纳米通讯》杂志上报道。东北大学先进材料多学科研究所的助理教授、该论文的共同作者YuukiUesugi说："通过对输入能量和激光射击次数的适当控制，我们能够执行精确的加工并创造出直径从70纳米--远小于520纳米的激光波长--到超过1毫米的孔。"通过扫描透射电子显微镜观察到的激光加工的石墨烯薄膜的图像。黑色区域表示打孔。白色物体表示表面污染物。资料来源：YuukiUesugi等人。在通过高性能电子显微镜仔细检查用低能量激光脉冲照射的区域时，上杉和他的同事发现，石墨烯上的污染物也已被清除。进一步的放大观察发现了直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷，在石墨烯的晶体结构中缺少几个碳原子。石墨烯中的原子缺陷既是有害的也是有利的，这取决于应用。虽然缺陷有时会降低某些特性，但它们也会引入新的功能或增强特定的特性。通过高倍率透射电子显微镜获得的图像。红色区域表示纳米孔。蓝色区域表示污染物。箭头所指的位置存在原子缺陷。"观察到纳米孔和缺陷的密度随着激光射击的能量和数量成比例增加的趋势，使我们得出结论，纳米孔和缺陷的形成可以通过使用飞秒激光照射来操纵，"Uesugi补充说。"通过在石墨烯中形成纳米孔和原子级缺陷，不仅可以控制导电性，还可以控制量子级特性，如自旋和谷值。此外，这项研究中发现的通过飞秒激光照射去除污染物的方法可以开发出一种非破坏性和清洁地清洗高纯度石墨烯的新方法。"展望未来，该团队旨在建立一种使用激光的清洗技术，并对如何进行原子缺陷的形成进行详细调查。进一步的突破将对从量子材料研究到生物传感器开发等领域产生巨大影响。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1363301.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1363301.htm

石墨烯研究的最新进展有助于廉价、可持续地生产氢气

石墨烯研究的最新进展有助于廉价、可持续地生产氢气这一科学传奇始于十年前，当时曼彻斯特大学的科学家证明了石墨烯对氢原子核质子的渗透性。这一发现出乎意料，与理论预测相悖，理论预测认为质子需要数十亿年才能穿过石墨烯致密的晶体结构。由于这种差异，有一种理论认为质子可能是通过石墨烯结构中的小孔（或针孔）而不是晶格本身渗透的。石墨烯是以二维蜂巢晶格排列的单层碳原子。石墨烯以其卓越的强度、导电性和超薄性而闻名，是科学和技术领域最有前途的多功能材料之一。最近，由PatrickUnwin教授领导的华威大学和由MarceloLozada-Hidalgo博士和AndreGeim教授领导的曼彻斯特大学联合在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。通过超高空间分辨率测量，他们最终证明了完美的石墨烯晶体确实允许质子传输。令人惊讶的是，他们还发现质子在石墨烯晶体中存在的纳米级皱纹和波纹周围被强烈加速。质子在二维晶体中传输的意外不均匀性。资料来源：《自然》/DOI:10.1038/s41586-023-06247-6对氢经济的影响这一突破性发现对氢经济具有重大意义。目前生成和使用氢气的机制通常依赖于昂贵的催化剂和薄膜，其中一些对环境有显著影响。用石墨烯等可持续二维晶体取代这些材料，可在推进绿色制氢、减少碳排放和帮助实现净零碳环境方面发挥关键作用。为了得出结论，研究人员采用了扫描电化学电池显微镜（SECCM）。这项技术使他们能够测量纳米级区域的微小质子电流，让研究人员能够直观地看到质子电流通过石墨烯膜的空间分布。如果质子运动仅限于石墨烯上的孔，那么电流就会被隔离在特定的点上。然而，并没有观察到这种集中的电流，从而推翻了关于石墨烯结构中存在孔洞的理论。研究人员的评论和观察该研究的主要作者SegunWahab博士和EnricoDaviddi博士对石墨烯晶体中没有缺陷表示惊讶，他们说："我们惊讶地发现石墨烯晶体中完全没有缺陷。我们的研究结果从微观上证明了石墨烯对质子具有内在的渗透性"。意想不到的是，质子电流在晶体纳米级皱纹周围被加速。科学家们发现，这是因为皱纹有效地"拉伸"了石墨烯晶格，从而为质子渗透原始晶格提供了更大的空间。现在，这一观察结果使实验与理论相吻合。洛萨达-伊达尔戈博士说："我们实际上是在拉伸原子尺度的网格，并观察到更大的电流通过网格中被拉伸的原子间空间--这确实令人匪夷所思"。Unwin教授评论道："这些结果展示了我们实验室开发的SECCM是一种从微观角度深入了解电化学界面的强大技术，它为设计涉及质子的下一代膜和分离器开辟了令人兴奋的可能性。"研究小组对这一发现如何为新型氢技术铺平道路持乐观态度。Lozada-Hidalgo博士说："利用二维晶体中波纹和褶皱的催化活性是加速离子传输和化学反应的一种全新方法。这可能导致氢相关技术的低成本催化剂的开发。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379509.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379509.htm

研究发现双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动

研究发现双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动艺术家绘制的天然双层石墨烯中的移动电荷。资料来源：LukasKroll此外，他们还证明，电流可以"开关"，这为开发微小、节能的晶体管提供了可能--就像家里的电灯开关，但却是纳米级的。美国麻省理工学院（MIT）和日本国立材料科学研究所（NIMS）也参与了这项研究。研究成果发表在科学杂志《自然通讯》上。安娜-塞勒博士。图片来源：ChristianEckel石墨烯的特性与挑战石墨烯于2004年被发现，是由单层碳原子组成的。石墨烯具有许多不寻常的特性，其中最著名的是其超高的导电性，这是因为电子在这种材料中以高速、恒定的速度穿行。这一独特的特性让科学家们梦想着利用石墨烯制造速度更快、能效更高的晶体管。所面临的挑战是，要制造出晶体管，需要控制材料在高导电状态之外还具有高绝缘状态。然而，在石墨烯中，载流子速度的这种"切换"并不容易实现。事实上，石墨烯通常没有绝缘状态，这限制了石墨烯作为晶体管的潜力。石墨烯晶体管研究取得突破性进展哥廷根大学的研究小组现在发现，自然形成的双层石墨烯中的两层石墨烯结合了两方面的优点：除了绝缘状态外，这种结构还能支持电子像光一样以惊人的速度运动，就像它们没有质量一样。研究人员发现，通过施加垂直于材料的电场，可以改变这种状况，使双层石墨烯成为绝缘体。托马斯-韦茨教授。资料来源：TWeitz快速移动电子的这一特性早在2009年就已在理论上得到预测，但由于NIMS提供的材料以及与麻省理工学院在理论方面的密切合作，样品质量显著提高，才有可能在实验中发现这一特性。虽然这些实验是在低温条件下进行的--低于冰点约273°--但它们显示了双层石墨烯制造高效晶体管的潜力。"我们早就知道这个理论。但是，现在我们已经进行了实验，实际显示了电子在双层石墨烯中类似光的分散。对于整个团队来说，这是一个非常激动人心的时刻，"哥廷根大学物理系的托马斯-韦茨教授说。哥廷根大学博士后研究员、第一作者AnnaSeiler博士补充说："我们的工作只是迈出了关键的第一步。研究人员下一步将研究双层石墨烯是否真的能改善晶体管，或者研究这种效应在其他技术领域的潜力。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427873.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427873.htm