高定向热解石墨

石墨的断裂强度为130 GPa，杨氏模量为1.0 TPa。然而，这种优异的机械性能处于纳米级水平，对于宏观石墨烯片层组件来说还没有实现。这种性能退化是由以下原因造成的:不同片层之间的错位，以及由此导致的不良应力传递。许多研究集中在通过增加石墨烯排列和改善片层间相互作用来改善石墨烯片层阵列的机械性能。此外，利用微毛细管的剪切场对氧化石墨烯进行定向，然后在2500℃退火，可以得到拉伸强度为1.9 GPa的石墨烯带。然而这两种方法都需要较高的退火温度，可能不适合制造面内各向同性的薄板。学者们试图通过近室温组装获得高强度石墨烯片材，但是由于受到石墨烯层的错位而受挫，因为这会降低机械性能。虽然面内拉伸可以减少这种错位，但在释放拉伸时会重新出现。北京航空航天大学程群峰教授与德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman教授领导的团队，提出使用共价键和π-π片层间桥接，来永久冻结拉伸诱导的石墨烯片排列。相关论文以题为“High-strength scalable graphene sheets by freezing stretch-induced alignment”发表在Nature Materials上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00892-2本文所述的近室温工艺(低于50℃)或其改进可潜在地用于将廉价开采的石墨转化为高性能石墨烯复合材料，该复合材料适用于航空航天和汽车应用，这些领域轻量的特性尤其重要。目前制造的高强度、高模量和高韧性板材可使用简单的双面铸造工艺进行扩展。此外，研究已经表明，4 wt%的市售树脂或π-π桥联剂的单层厚度提供了有效的层压，能够制造无限厚的大面积片材。与机械强度高的替代材料相比，这些板材无需层压，可提供非常高的电磁干扰屏蔽性能。此外，所获得的高机械性能和高电导率的组合可以潜在地用于各种应用，例如为飞机机身提供雷击保护。拉伸诱导双轴取向过程中，顺序桥接可以产生具有高面内拉伸强度(1.55 GPa)的顺序桥接(SB)、双轴拉伸(BS)rGO片(称为SB-BS-rGO片)。图1a显示了SB-BS-rGO板的制造方法。图1b中示出了所得的SB-BS-rGO片材的结构模型。图1 | SB-BS-Rgo片的制造工艺和结构示意图研究人员使用广角X射线散射图(图2a、图2b)表征石墨烯片层排列，并用赫尔曼取向因子(f)描述。rGO片的f(0.810)比SB-BS-rGO片的f(0.956，图2e)低得多。rGO片的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜图像显示石墨烯片之间存在大量大规模空隙(图2a-c)，这可能是基于过滤的自组装和碘化氢还原过程造成的。图2 Rgo片和SB-BS-rGO片的结构特征对rGO片的原位拉曼测量(图3a)显示，当施加的应变低于0.6%时，向石墨烯片层的应力转移增加，然后保持到3.9%，其中增加的应变不会增加石墨烯片层上的应变。相比之下，对SB-BS-rGO薄片的拉曼测量(图3b)显示，在直至薄片断裂的整个应变范围内(大约2.8%)，所施加的拉伸应变越来越多地转移到石墨烯薄片上。石墨烯片的紧密堆叠限制了它们的面外变形，减小了面内方向的负热膨胀的大小。rGO石墨烯片的负热膨胀的幅度小于SB-BS-rGO片(图3c)，这与实验测量的紧密度一致。应力松弛提供了相关的动力学信息。SB-BS-rGO比rGO板具有更高的抗应力松弛能力(图3d)。图3 Rgo片和SB-BS-rGO片的拉曼、热膨胀、应力松弛和x光衍射数据拉伸力学试验表明，重叠的SB-BS-rGO片材在非重叠区域断裂，这不是由于重叠区域的剪切断裂而失效。此外，重要的是要注意的是，层压的SB-BS-rGO片在没有分层的情况下发生了断裂。即使忽略SB-BS-rGO片材的重叠区域，导出的抗拉强度、韧性和杨氏模量也接近于单个SB-BS-rGO片材的抗拉强度、韧性和杨氏模量(图4a)。图4 DB铸造SB-BS-rGO（DB）片和SB-BS-rGO（DB）片的机械和电气性能总的来说，研究人员通过连续共价键和π-π桥连冷冻石墨烯取向，得到了拉伸强度分别为1.47倍、2.50倍和1.41倍的平面内各向同性石墨烯片。该制备工艺在室温下完成，未来可能在廉价获得的石墨烯转化为高性能轻量的石墨烯复合材料，而这在航空航天和汽车应用中将会有极为重要和广泛地应用。

石墨烯和石墨表面的共价修饰纳米图案研究人员在本文中展示了一种共价修饰的方法，并由此在石墨烯以及高定向热解石墨（HOPG）的表面成功地控制了纳米图案的形成过程。他们在对制得的样品进行了纳米级的表征后发现可以通过改变电化学反应的条件来调控所得纳米图案的尺寸。这种可以在表面构建纳米图案结构的方法使得目前电子产品微型化这一趋势可以进一步发展，同时也有益于其它各种各样纳米技术的应用。虽然目前已经存在一系列的自下而上的技术（也就是从单个分子的基础上搭建特定结构 ）并被应用于在石墨烯以及HOPG基底上形成纳米图案结构。但是这些结构通常由非共价键形成，因此其稳定性受到很大的局限。 由来自比利时、越南和英国的科研人员组成的团队报道了一种通过共价修饰来控制纳米图案形成的方法。石墨的表面暴露在电解液中，而电解液包含了芳基重氮盐 NBD（4-nitrobenzenediazonium）以及TBD（3,5-bis-tert-butylbenzenediazonium）。然后在电化学池中通过循环伏安法以及计时电流法进行接枝反应。 研究人员通过原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）对样品进行了表征并在修饰后的石墨烯或HOPG表面发现了近乎圆形的斑点。这种结构被称为”nanocorrals”，研究人员认为其是由实验过程中在近表面形成的气泡引起的。AFM图像表明这种nanocorral的直径（约为45-130 nm）以及密度（20−125/μm2）可以通过分别改变电化学活化条件以及电解质比例的方法来进行人为调控。 这一实验方法可以十分便捷的制备出可调控的图形结构，可以在纳米约束反应中用作微小的“培养皿”。这种方法还可以促进超分子自组装领域以及其它表面反应的研究。Instrument usedCypher ES Techniques used研究人员通过循环伏安法制得样品后，借助了牛津仪器快速扫描AFM Cypher ES，以轻敲模式(tapping mode)对样品的表面形貌进行了纳米级的表征。Cypher ES具备着对样品环境进行精确控制的能力，在本实验中研究人员由此保持了样品处于32°C的恒温下。除了精确的多元环境控制功能，Cypher ES还具备着快速扫描、简单易用以及优于传统AFM的空间分辨率等优点。 Citation: Thanh Phan, Hans Van Gorp, Zhi Li et al., Graphite and graphene fairy circles: a bottom-up approach for the formation of nanocorrals. ACS Nano 13, 5559 (2019). https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00439 Note: The data shown here are reused under fair use from the original article, which can be accessed through the article link above.

石墨烯具备超强导热性与导电性、以及轻质高强、柔性、透明等无比伦比的特性，被誉为“新材料之王”，应用前景十分广阔。自2004 年问世以来，关于石墨烯的研究热度持续不减，新兴研究领域不断被开拓。本文对近期石墨烯领域的部分综述进行盘点汇总，以此总结该领域最新前沿科研成果，以飨读者。（鉴于篇幅的原因不能面面俱到，如有遗漏，欢迎大家留言补充。）宁波材料所在石墨烯复合硅碳负极材料及其高能量密度锂离子电池方面取得进展动力电池、消费类电池等终端产品对高能量密度锂离子电池需求越来越强。目前，产业界主要采取硅碳复合路线来提升硅基负极应用水平，但高比容量的硅碳负极材料嵌/脱锂过程体积膨胀巨大，循环过程中活性材料会发生结构失效导致电接触变差，表面固体电解质膜反复破裂/再生导致电解液快速消耗，锂离子电池可逆容量迅速衰减。针对硅碳负极材料的体积膨胀问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘兆平研究团队从源头出发，创新性地构筑了高机械稳定的自机械抑制石墨烯复合硅碳负极材料。刘兆平团队将氧化亚硅和石墨烯浆料在液相体系混合均匀，其中沥青作为添加剂，通过喷雾干燥、高温热处理和化学气相沉积等一系列工艺，制备类球形的石墨烯/沥青裂解碳封装硅氧化物复合负极材料（SiOx/Graphene/C，简称SGC），SGC复合负极材料可维持石墨烯宏观结构的完整性和机械稳定性。自机械抑制石墨烯复合硅碳负极材料制备研究表明，SGC复合负极材料可抑制SiOx摄锂量，降低体积膨胀，提升循环稳定性。该高性能石墨烯复合硅碳负极材料已成功实现产业化，研制出能量密度达350-400Wh/kg的系列新型高能量密度锂离子电池。俄罗斯借石墨烯涂层开发出新材料：用“微电厂”取代电池技术俄罗斯国立研究型技术大学与俄罗斯科学院微电子技术问题研究所科研人员，通过沉积石墨烯涂层技术开发出一种独特的硅纳米复合材料，这一研发成果将加速直接放置在电子产品印刷电路板上的“微电厂”技术的发展。俄罗斯国立研究型技术大学半导体与电介质材料科学系副教授叶卡捷琳娜戈斯捷娃解释说：“我们提出了独一无二的方法，在硅结构整个深度的孔道内壁上沉积多层石墨烯涂层。目前没有其他方法可以生产用于高效微燃料电池的电极。这种电源不仅可以为设备提供长期备用电源，而且可能会随着时间的推移取代电池。”郑大《ACS Nano》：MXene/石墨烯气凝胶实现超强电磁波吸收！郑州大学申长雨院士和刘春太教授课题组通过定向冷冻法和肼蒸汽还原法制备得到一种新型的含有磁性Ni纳米链锚定的三维MXene/石墨烯复合气凝胶(命名为NiMR-H)。特殊的取向结构和介电/磁性组分的异质界面有利于获得优异的吸波性能，具有良好的阻抗匹配、多重极化和电/磁耦合效应。NiMR-H气凝胶制备示意图及结构形貌表征图中国科大实现二维石墨烯室温铁磁性中国科学技术大学国家同步辐射实验室教授闫文盛研究组与副研究员孙治湖合作，通过磁性金属原子精确可控掺杂策略，实现二维石墨烯的室温铁磁性。该研究组利用两步浸渍—热解的方法，在氮原子辅助下，将钴原子掺杂在石墨烯晶格中，样品在室温下饱和磁化强度为0.11emu/g，居里温度达到400K。通过同步辐射软、硬X射线谱学技术和多种X射线谱学解析方法，研究人员证实样品中的钴是以平面四边形四氮化钴结构单元原子级分散于石墨烯晶格中的，排除了磁性起源于钴相关第二相的可能，四氮化钴结构单元是室温铁磁性的主要来源。精确可控的钴原子掺杂激活石墨烯室温铁磁性曹原一周连发两篇《Nature》：魔角石墨烯再次突破021年4月1日，来自美国麻省理工学院的曹原(通讯兼第一作者)&Pablo Jarillo-Herrero等研究者，通过进行热力学和输运测量，研究了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）的对称性破缺多体基态和非平凡拓扑现象。同时，也使魔角石墨烯的理论和实验都更趋近于一个统一的框架，为我们开发新型的量子材料，带来了更多可能。4月7日，曹原再发《Nature》，本文是关于魔角石墨烯中的Pomeranchuk效应的熵证据。当前相关态的杂化特性和能量尺度的大分离对于双层扭曲石墨烯中相关态的热力学和输运性质具有重要意义。山西大学：利用OAT法实现超高垂直石墨烯薄膜生长山西大学激光光谱研究所陈旭远教授团队在三维竖直石墨烯制备及储能应用领域取得突破性进展，研究成果近日发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。该团队开发了一种氧辅助“修正”(OAT)工艺以消除过密的石墨烯片层，阻止片层随时间增长而聚集，克服了生长过程中竖直石墨烯厚度饱和的现象。未聚合的竖直石墨烯陈旭远团队利用这种方法合成了高达80微米的超高竖直石墨烯，并应用于超级电容器中，获得了241.35mF cm–2的面积比电容，展现出了优越的电化学性能及储能能力。值得注意的是，80微米的高度并非该合成技术所能达到的最大值，通过氧辅助“修正”工艺可以获得任意高度的竖直石墨烯。这项工作对于高负载竖直石墨烯的合成具有重要的指导意义。与IC兼容的制造工艺和出色的储能能力使得OAT竖直石墨烯在集成芯片、器件领域中具有非常大的应用潜力。 《ACS Macro Letter》3D打印明胶氧化石墨烯墨水实现自发成肌分化釜山国立大学Dong-Wook Han与韩国亚洲大学Ki Dong Park教授团队在高分子领域顶刊《ACS Macro Letters》上发表了其最新研究成果，由富含酚的明胶（GHPA）和氧化石墨烯（GO）组成的3D可打印生物墨水，是诱导肌发生的材料的组成部分，可通过双重酶介导的交联反应原位形成水凝胶网络。原位可固化的GO/GHPA水凝胶可以成功地用作3D可打印的生物墨水，以提供合适的细胞微环境，并促进C2C12骨骼肌成肌细胞的成肌分化。总体而言，研究团队建议功能性生物墨水可能在肌肉组织工程和再生医学中有用。GO/GHPA水凝胶基质的3D生物打印和理化特性“石墨烯检测技术及应用进展”主题网络研讨会随着业界对石墨烯的高度关注，我国石墨烯研发和产业化得到了快速发展，但其产业化仍然面临诸多挑战和问题。石墨烯的“杀手锏”级应用仍在探索中，石墨烯标准、检测体系不完善，产品鱼龙混杂，市场亟需标准化。基于此，仪器信息网联合国家石墨烯产品质量监督检验中心、全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组，将于2021年5月11日举办 “石墨烯检测技术及应用进展”主题网络会议。邀请业内专家以及厂商技术人员就石墨烯最新应用研究进展、检测技术、检测方法、质量评价体系及标准化等展开探讨，推动我国石墨烯产业健康发展。会议日程报告主题报告人单位绝缘衬底表面石墨烯晶圆生长研究进展王浩敏中国科学院上海微系统与信息技术研究所待定刘峥国家石墨烯产品质量监督检验中心待定谭平恒中国科学院半导体研究所石墨烯导热增强复合材料与热界面材料林正得中国科学院宁波材料技术与工程研究所二维半导体及异质结的生长与光电性能调控肖少庆江南大学石墨烯等低维纳米材料的标准化动态和展望丁荣全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组更多报告邀请中……报名方式扫描下方二维码或点击以下链接即可进入报名页面。（会议链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/Graphene2021/） 报名参会加入会议交流群，随时掌握会议动态

三价锑有毒性，对人体的危害极大，因此对于该成分的测定显得尤为重要。可以通过原子吸收分光光度法对可能含有锑元素的样品进行定量分析。但对于一些高盐且目标元素含量很低的样品，例如尿样，高盐背景会影响检测灵敏度。下面给大家介绍一种使用石墨炉原子吸收分光光度法测定高盐样品的方法：将60μL样品和20μL基体改进剂，共80μL试剂注入石墨管，测定样品中微量锑元素。即使大量注入样品，也可实现高灵敏度、高精度的定量分析。高盐样品中锑元素的条件设置■ 样品制备模拟尿液：参照JIS T 3214 膀胱留置用导尿管*模拟尿液中钠浓度：5.4 g /L*样品：将模拟尿液稀释2倍，并向其中加入锑元素（硝酸5％）■ 基体改进剂配置选择Pd1000 mg/L（硝酸10％）和Pd+Mg 1000 mg/L（硝酸10％）两种基体改进剂进行比较，如下图所示，Pd1000 mg/L（硝酸10％）作为基体改进剂的吸光度更高，因此选择Pd1000 mg/L（硝酸10％）作为基体改进剂。 ■ 加热后注入条件设置什么是加热后注入?对于大进样量的情况，可将石墨管加热至预设温度后再注入样品，这样可抑制样品散开，使样品停滞在石墨管中央，由此提高重现性，增加了进样量。通过优化，加热注入温度设置为80℃。 另外对于大量进样的情况，还可以选择日立DII型双注入技术热解石墨管来进行测试。■灰化、原子化温度设置—温度程序自动生成功能【灰化温度设置】背景吸收现象主要是由尿样中的钠元素（5000 mg/L左右）引起的。灰化温度≤1000℃时，背景吸收值偏高，以至于很难准确测定样品。通过温度程序自动生成功能可得到如下图所示的温度和吸光度关系图，由图可见灰化温度为1300℃时样品吸光度值最高，背景吸光值低，因此灰化温度设置为1300℃。【原子化温度设置】不同的原子化温度，原子吸收信号强度也不相同。通过温度程序自动生成功能可获得最佳原子化温度，如下图可见，原子化温度≤2500℃时，信号强度较弱。最终原子化温度设置为2800℃。分析高盐样品中的锑元素按JIS T 3214 膀胱留置用导尿管说明，配置模拟尿液样品。标准液是将关东化学社配置的原子吸光用标准液使用0.1%的硝酸稀释而成。■ 测定条件■ 测定结果上述是模拟尿样测定的结果：线性良好，回收率为97.3%，结果准确可靠。使用日立偏振塞曼原子吸收分光光度计ZA3000系列进行高盐度样品分析时，先加热石墨管再注入样品，不仅可以增加进样量（最多可注100μL），而且分析灵敏度高；配合日立原吸软件的温度程序自动生成功能，可方便快速地对干燥、灰化、原子化温度进行优化，得到最优的温度程序。

摘要：石墨烯具有目前已知材料中最高的热导率，在电子器件、信息技术、国防军工等领域具有良好的应用前景。石墨烯导热的理论和实验研究具有重要意义，在最近十年间取得了长足的发展。本文综述了石墨烯本征热导率的研究进展及应用现状。首先介绍应用于石墨烯热导率测量的微纳尺度传热技术，包括拉曼光谱法、悬空热桥法和时域热反射法。然后展示了石墨烯热导率的理论研究成果，并总结了石墨烯本征热导率的影响因素。随后介绍石墨烯在导热材料中的应用，包括高导热石墨烯膜、石墨烯纤维及石墨烯在热界面材料中的应用。最后对石墨烯导热研究的成果进行总结，提出目前石墨烯热传导研究中存在的机遇与挑战，并展望未来可能的发展方向。关键词：石墨烯；热导率；声子；热界面材料；悬空热桥法；尺寸效应1 引言石墨烯是具有单原子层厚度的二维材料，因为其独特的电学、光学、力学、热学性能而备受关注。相对于电学性质的研究，石墨烯的热学性质研究起步较晚。2008年，Balandin课题组用拉曼光谱法第一次测量了单层石墨烯的热导率，观察发现石墨烯热导率最高可达5300 W∙m−1∙K−1，高于石墨块体和金刚石，是已知材料中热导率的最高值，吸引了研究者的广泛关注。随着理论研究的深入和测量技术的进步，研究发现单层石墨烯具有高于石墨块体的热导率与其特殊的声子散射机制有关，成为验证和发展声子导热理论的重要研究对象。对石墨烯热导率的研究很快对石墨烯在导热领域的应用有所启发。随着石墨烯大规模制备技术的发展，基于氧化石墨烯方法制备的高导热石墨烯膜热导率可达~2000 W∙m−1∙K−1。高导热石墨烯膜的热导率与工业应用的高质量石墨化聚酰亚胺膜相当，且具有更低成本和更好的厚度可控性。另一方面，石墨烯作为二维导热填料，易于在高分子基体中构建三维导热网络，在热界面材料中具有良好应用前景。通过提高石墨烯在高分子基体中的分散性、构建三维石墨烯导热网络等方法，石墨烯填充的热界面复合材料热导率比聚合物产生数倍提高，并且填料比低于传统导热填料。石墨烯无论作为自支撑导热膜，还是作为热界面材料的导热填料，都将在下一代电子元件散热应用中发挥重要价值。本文综述了石墨烯热导率的测量方法、石墨烯热导率的研究结果以及石墨烯导热的应用。首先介绍石墨烯的三种测量方法：拉曼光谱法、悬空热桥法和时域热反射法。然后介绍石墨烯热导率的测量结果，包括其热导率的尺寸依赖、厚度依赖以及通过缺陷、晶粒大小等热导率调控方法。随后介绍石墨烯导热的应用，主要包括高导热石墨烯膜、石墨烯纤维及石墨烯导热填料在热界面材料中的应用。最后对石墨烯导热研究的发展进行展望。2 石墨烯热导率的测量方法由于石墨烯的厚度为纳米尺度，商用的测量设备(激光闪光法、平板热源法等)无法准确测量其热导率，需要采用微纳尺度热测量方法。常见的微纳尺度传热测量技术包括拉曼光谱法、悬空热桥法、3𝜔法、时域热反射法等几种。下面将重点介绍适用于石墨烯的热导率测量方法。2.1 拉曼光谱法单层石墨烯热导率是研究者最感兴趣的话题。2008年，Balandin课题组最早用拉曼光谱法测量了单层石墨烯的热导率。单层石墨烯由高定向热解石墨(HOPG)经过机械剥离法得到，悬空于刻有沟槽的SiNx/SiO2基底上，悬空长度为3 μm。测量时，选用拉曼光谱仪中波长为488 nm的激光同时作为热源和探测器，光斑大小为0.5–1 μm。激光对石墨烯产生加热作用导致石墨烯温度升高，而石墨烯拉曼光谱的G峰和2D峰随温度产生线性偏移，从而可以得到石墨烯的升温。利用热量在平面内径向扩散的傅里叶传热方程，可以得到石墨烯的平面方向内热导率。通过这一方法，测得石墨烯热导率测量结果为（5300 ± 480） W∙m−1∙K−1，是已知材料中热导率的最高值。拉曼光谱法第一次实现了单层石墨烯热导率的测量，但是其测量过程中存在较大的误差，导致不同测量结果存在差异：材料热导率由傅里叶传热方程计算得到，其中材料的吸收热量Q和升温ΔT两个参数都难以准确测量。首先，测量过程中采用了石墨块体的光吸收6%作为吸热计算的依据，与单层石墨烯在550 nm的光吸收率2.3%存在较大差异，导致测量结果可能被高估一倍左右。其次，升温ΔT通过石墨烯拉曼光谱G峰和2D峰的红移或反斯托克斯/斯托克斯峰强比计算得到，两者随温度变化率较小，需要较高的升温(ΔT ~ 50 K)，导致难以准确测量特定温度下的热导率。基于拉曼光谱法，研究者不断改进测量技术，降低实验误差。在早期测量中由于石墨烯下方的SiNx基底热导率较低，约为5 W∙m−1∙K−1，在传热模型中将SiNx视为热沉存在一定误差。后来，Cai等通过在带孔的SiNx/SiO2薄膜表面蒸镀Au的方式，提高了石墨烯的接触热导，满足了热沉的边界条件，同时用功率计实时测量了石墨烯的吸收功率。同时，由于石墨烯覆盖在SiNx/SiO2薄膜上有孔和无孔的区域，可以分别测量悬空石墨烯和支撑石墨烯的热导率。张兴课题组使用双波长闪光拉曼方法，引入两束脉冲激光，周期性地加热样品并改变加热光与探测光的时间差，这样做可以将加热光和探测光的拉曼信号分开，为准确测量样品温度提供了新思路。在后续的研究中，拉曼光谱法也被应用于h-BN、MoS2、WS2等二维材料热导率的测量。2.2 悬空热桥法悬空热桥法是利用微纳加工方法制备微器件并测量纳米材料一维热输运的常用方法，多用于纳米线、纳米带、纳米管热导率的测量。微器件由两个SiNx薄膜组成，每个SiNx薄膜连接在6个SiNx悬臂上，并且沉积有Pt电极用作温度计，两个薄膜分别作为加热器(Heater)和传感器(Sensor)，样品悬空加载薄膜上，电极通电后加热样品，通过电极电阻的变化测量样品的升温，从而计算热导率。Seol等最早将这一方法应用在石墨烯热导率的测量中，石墨烯被制备成宽度为1.5–3.2 μm，长度为9.5–12.5 μm的条带，覆盖在厚度为300 nm的SiO2悬臂上，两端连接在四个Au/Cr电极上作为温度计，测量得到SiO2衬底上的单层石墨烯热导率为600W∙m−1∙K−1。SiO2衬底上石墨烯热导率低于悬空石墨烯热导率及石墨热导率，是因为ZA声子和衬底间存在较强的声子散射。悬空热桥法的挑战在于如何将石墨烯悬空于微器件上，避免转移过程中出现石墨烯脱落、破碎的问题 。Li 课题组通过聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)保护转移法首先实现了少层石墨烯热导率的测量：首先将机械剥离法得到的少层石墨烯转移到SiO2/Si衬底上，然后旋涂PMMA作为保护层，用KOH溶液刻蚀SiO2并将PMMA/石墨烯转移至悬空热桥微器件上，再利用PMMA作为电子束光刻的掩膜版，通过O2等离子体将石墨烯刻蚀成指定大小的矩形进行测量。Shi课题组利用异丙醇提高了石墨烯的转移效率，测量了悬空双层石墨烯的热导率。Xu等进一步改良了实验工艺，通过“先转移，后制备悬空器件”的方法实现了单层石墨烯热导率的测量：首先将化学气相沉积(CVD)生长的单层石墨烯转移到SiNx衬底上，再利用电子束光刻和O2等离子体将石墨烯刻蚀成长度和宽度已知的条带，然后沉积Cr/Au在石墨烯两端作为电极，最后用KOH溶液刻蚀使其悬空。这一方法的优势在于避免了PMMA造成污染，但是对操作和工艺都提出了很高的要求。悬空热桥法也被应用于h-BN、MoS2、黑磷等二维材料热导率的测量。基于悬空热桥法，李保文课题组进一步发展了电子束自加热法，利用电子束照射样品产生加热，消除通电加热体系中界面热阻造成的误差。2.3 时域热反射法时域热反射法(Time-domain thermoreflectance，TDTR)是一种以飞秒激光为基础的泵浦-探测(pump-probe)技术，由Cahill课题组于2004年基于瞬态热反射方法提出，常用来测量材料的热导率和界面热导。在时域热反射法测量中，一束脉冲飞秒激光被偏振分束镜分为泵浦光和探测光，泵浦光对待测材料进行加热，探测光测量材料表面温度的变化。泵浦光和探测光之间的光程差通过位移台精确控制，并在每一个不同光程差的位置进行采样，得到材料表面温度随时间变化的曲线，这一曲线与材料的热性质有关。通过Feldman多层传热模型进行拟合，得到材料的热导率。实际测量中 通 常 在 材 料 表 面 沉 积 一 层 金 属 作 为 传 热 层(transducer)，利用金属反射率(R)随温度(T)的变化关系(dR/dT)，通过探测金属反射率的变化检测材料表面温度变化。时域热反射方法的优点在于能够同时测量材料沿c轴和平面方向的热导率，并且能够得到不同平均自由程声子对于热导率的贡献。Zhang等利用这一方法同时测量了石墨烯沿ab平面和c轴方向的热导率，发现石墨烯沿c轴方向的声子平均自由程在常温下可达100–200 nm，远高于分子动力学预测的结果。测量不同厚度的石墨烯(d = 24–410nm)表现出c轴方向热导率随厚度增加而增加的现象，常温下的热导率为0.5–6 W∙m−1∙K−1，并且随着厚度增加而趋近于石墨块体的c轴热导率(8 W∙m−1∙K−1) 。这一现象反映出，在常温下石墨烯c轴方向热导率是由声子-声子散射主导，为探讨石墨烯的传热机理提供了实验支撑。时域热反射方法的局限在于难以测量厚度较小的样品，这是因为当热流在穿透样品后到达基底，需要将基底与样品之间的界面热阻、基底的热导率作为未知数在传热模型中进行拟合，造成误差较大。对于块体石墨，时域热反射方法测量平面方向热导率为1900 ± 100 W∙m−1∙K−1，与Klemens的预测结果一致。对于厚度为194 nm的薄层石墨，测量热导率为1930 ± 1400 W∙m−1∙K−1，误差明显增大。Feser等通过调控光斑尺寸改变传热模型对石墨平面方向传热的敏感度，利用beam offset方法测量了HOPG热导率。Rodin等将频域热反射(FDTR)与beamoffset的方法结合起来，同时准确测量了HOPG的纵向和横向热导率。Chen课题组发展了无传热层(transducer less)的二维材料热导率测量方法，这种方法既可以采取FDTR频域扫描的测量方式，也可以与beam-offset方法结合，提高对平面方向热导率测量的准确度。这些测量方法为薄层材料热导率测量提供了可能的技术路径，即通过对待测样品的物理结构设计(transducerless)和传热模型设计(调控光斑尺寸与测量频率)，选择性地增加对平面方向热导率的敏感度，使得即便在样品很薄、热流穿透的情况下，多引入的未知数在传热模型内具有较小的敏感度，从而实现少层/单层石墨烯平面方向热导率的测量。时域热反射法也被应用于黑磷、MoS2、WSe2等二维材料热导率的测量。基于时域热反射方法发展出频域热反射(FDTR)、two-tint、时间分辨磁光克尔效应(TR-MOKE)等测量方法以提高测量准确度。以上主要总结了石墨烯热导率的常用微纳尺度测量技术，包括拉曼光谱法、悬空热桥法和时域热反射法，不同方法的主要测量结果汇总于表1。表 1 石墨烯热导率测量主要研究结果值得注意的是，部分悬空热桥法测量的热导率显著偏低，是由于PMMA污染抑制了石墨烯声子散射。当样品厚度在微米尺度时，可通过激光闪光法进行测量，这种方法常用于块体石墨和湿化学方法制备的石墨烯薄膜，对于经过热处理还原和石墨化的石墨烯薄膜，激光闪光法测量热导率在1100–1940 W∙m−1∙K−1，热导率的差别主要来自石墨烯薄膜的制备工艺。受限于篇幅，我们将四种测量方法的示意图及主要原理汇总于图1，关于微纳尺度热测量的详细总结可参考相应综述文章。图 1 常见热测量方法示意图3 石墨烯热导率的研究进展石墨烯的热传导主要由声子贡献。和金刚石类似，石墨烯在平面方向由强化学键C―C键构成，并且由于碳原子较轻，具有极高的声速，从而在平面方向具有和金刚石相当的热导率(~2000W∙m−1∙K−1) 。关于石墨烯热传导的主要声子贡献来源，学界的认知随着研究的更新而发生变化。最早，人们预期石墨烯传热主要由纵向声学支(LA)和横向声学支(TA)贡献，这两支声子的振动平面都是沿石墨的ab平面方向。这样的预期是合理的，因为另一支横向声学支(ZA)声子的振动平面垂直于ab平面，而石墨烯作为单原子层材料，垂直平面的振动困难。而且ZA声子的色散关系是~ω2，在q →0时声速迅速减小为0，因而对石墨烯热导率几乎不产生贡献。后来，Lindsay等7通过对玻尔兹曼方程进行数值求解发现，由于单层石墨烯的二维材料特性，三声子散射中与ZA声子关联的过程受到抑制，这一规则被称为“选择定则(Selection rule)”。基于这一原因，ZA声子散射的相空间减小了60%；同时，考虑到ZA声子的数量较多，ZA声子实际成为了单层石墨烯中热导贡献最大的一支，占比约为70%。随着计算方法的进步，研究者对石墨烯中声子传导的理解逐步加深。Ruan课题组在考虑四声子散射的条件下计算了单层石墨烯的热导率，由于ZA声子数量多，导致由ZA声子参与的四声子散射过程多，通过求解玻尔兹曼输运方程(BTE)发现，ZA声子对于单层石墨烯热导率的贡献实际约为30%。Cao等通过分子动力学计算发现，考虑高阶声子散射时ZA声子对石墨烯热导率的贡献将降低。另外，第一性原理计算表明石墨烯中存在水动力学热输运和第二声现象，以及实验测量和分子动力学计算中发现石墨烯存在的热整流现象，都使得石墨烯的声子输运研究不断更新。下面针对理想的单层石墨烯单晶材料讨论其热导率的依赖关系。3.1 石墨烯热导率的厚度依赖石墨烯作为单原子层材料，表现出不同于石墨块体的声子学特征。很自然地产生一个问题，随着石墨烯的原子层数增加，石墨烯会以何种形式、在何种厚度表现出接近石墨块体的热学性质。前文Lindsay等的工作从计算角度给出了解释，在多层石墨烯和石墨中，三声子散射与原子间力常数的关系不同于单层石墨烯，导致选择定则不再适用，ZA声子的散射变大，热导率下降。这一趋势可以从图2a中明显观察到，当石墨烯的厚度从单原子变为双原子层时，ZA声子贡献的热导率大幅下降，石墨烯整体热导率降低。随着原子层数目增加，热导率持续下降。对于原子层数在5层及以上的石墨烯，其热导率已十分接近石墨块体。这一趋势也与Ghosh等对悬空石墨烯热导率的测量结果一致，在原子层数超过4层之后，石墨烯热导率接近块体石墨(图2c)。而对于放置在基底上的支撑石墨烯和上下均有基底的夹层石墨烯(Encased)，热导率随层数变化没有明显规律，这主要是因为ZA声子与基底相互作用，对热导率的贡献低于悬空石墨烯，而ZA声子与基底相互作用的强度随原子层数增加而变化，导致热导率随层数变化表现出不同规律(不变或增大) 。研究石墨烯本征热导率仍需对少层及单层石墨烯热导率进行测量，对样品制备和实验测量都具有很大挑战。图 2 石墨烯热导率的尺寸效应3.2 石墨烯热导率的横向尺寸依赖由傅里叶传热定律，材料热导率，其中Cv为材料体积比热容，v为声子群速度，l为声子平均自由程。对于给定的温度，热容与声速均为定值，因而材料热导率主要由声子平均自由程决定。通常情况下，块体材料在三个维度上的尺寸都远大于声子平均自由程，声子为扩散输运，声子平均自由程主要由声子-声子散射确定，是材料固有的性质，表现出热导率与横向尺寸无关。但是对于石墨烯而言，由于制备待测样品的长度在微米级，与平面内声子平均自由程相当，存在弹道输运现象，表现出石墨烯的热导率与横向尺寸存在依赖关系。石墨烯平面方向声子平均自由程可通过计算得到。Nika等通过第一性原理计算分别对LA和TA声子求得Gruneisen参数，得到石墨烯平面方向声子平均自由程在10 μm左右，即石墨烯尺寸小于10 μm时会表现出明显的热导率随尺寸增加而增加现象(图2b)。后续计算表明，在考虑三声子过程和声子-边界散射角度的情况下，石墨烯热导率在横向尺寸L小于30 μm时遵循log(L)增加的规律，在横向尺寸为30 μm左右时达到最大值，并随横向尺寸增加而下降。检验计算结果需要对不同尺寸的单层石墨烯进行热导率测量，这对实验操作的精细度提出了极高要求。Xu等利用悬空热桥法测量了不同长度(300–9 μm)的单层石墨烯热导率，观察到其热导率随长度增加而单调增加。测量结果与分子动力学预测的热导率随长度以log(L)趋势增加的结果相符，证明了石墨烯作为二维材料的热性质(图2d)。但是作者也没有排除另外两种可能：(1)低频声子随尺寸增加而被激发，对传热贡献较大；(2)石墨烯尺寸增加改变三声子散射的相空间，影响选择定则7。由于石墨烯作为二维材料的特性，以及声子平均自由程较大、热导率较高，仍然需要进一步的理论和实验探究以深入挖掘石墨烯热导率随横向尺寸变化的物理原因。在实际应用的单晶及多晶石墨烯材料中，热导率的影响因素还包括晶粒尺寸、缺陷、同位素、化学修饰等，相关研究及综述已有报道。4 石墨烯导热的应用上一节中介绍了石墨烯具有本征的高热导率，从理论计算和实验测量中均得到了验证。上述实验测量中，研究者往往采用机械剥离法和CVD法制备石墨烯，这两种方法制备的样品具有质量高、可控性强的特点，适用于研究石墨烯的本征性质。但是，由于机械剥离法和CVD法制备石墨烯具有产量低、制备周期长、难以规模化等特点，不适用于石墨烯的宏量制备。相对应地，通过还原氧化石墨烯、电化学剥离等湿化学方法可以大批量制备石墨烯片，石墨烯片通过片层间的化学键作用可形成石墨烯膜、石墨烯纤维、石墨烯宏观体等三维结构，从而可实际应用于导热场景。4.1 高导热石墨烯膜的应用石墨烯薄膜可用作电子元件中的散热器，散热器通常贴合在易发热的电子元件表面，将热源产生的热量均匀分散。散热器通常由高热导率的材料制成，常见散热器有铜片、铝片、石墨片等。其中热导率最高、散热效果最好的是由聚酰亚胺薄膜经石墨化工艺得到的人工石墨导热膜，平面方向热导率可达700~1950 W∙m−1∙K−1， 厚度为10~100 μm，具有良好的导热效果，在过去很长一段时间内都是导热膜的最理想选择。在此背景之下，研究高导热石墨烯膜有两个重要意义，其一，是由于人工石墨膜成本较高，且高质量聚酰亚胺薄膜制备困难，业界希望高导热石墨烯膜能够作为替代方案。其二，是由于电子产品散热需求不断增加，新的散热方案不仅要求导热膜具有较高的热导率，也要求导热膜具有一定厚度，以提高平面方向的导热通量。在人工石墨膜中，由于聚酰亚胺分子取向度的原因，石墨化聚酰亚胺导热膜只有在厚度较小时才具有较高的热导率。而石墨烯导热膜则易于做成厚度较大的导热膜(~100 μm)，在新型电子器件热管理系统中具有良好的应用前景。因此，石墨烯导热膜的研究也主要沿着两个方向，其一，是提高石墨烯导热膜的面内方向热导率，以接近或超过人工石墨膜的水平。其二，是提高石墨烯导热膜的厚度，扩大导热通量，同时保持良好的热传导性能。以下将从这两方面分别讨论。4.1.1 提高石墨烯膜热导率的关键技术高导热石墨烯薄膜的常见制备方法是还原氧化石墨烯。首先通过Hummers法得到氧化石墨烯(GO，graphene oxide)分散液，然后通过自然干燥、真空抽滤、电喷雾等方法得到自支撑的氧化石墨烯薄膜，并通过化学还原、热处理等方法得到还原氧化石墨烯(rGO)薄膜，最后通过高温石墨化提高结晶度，得到高导热石墨烯薄膜。影响高导热石墨烯膜热导率最重要的因素是组装成膜的石墨烯片的热导率，主要由氧化石墨烯的还原工艺决定。由于氧化石墨烯分散液的制备通常在强酸条件下进行，破坏石墨烯的平面结构，同时引入了环氧官能团，造成声子散射增加。氧化石墨烯的还原工艺对还原产物的结构、性能影响较大，因而需要选择合适的还原工艺制备石墨烯导热膜。氧化石墨烯膜在1000 ℃热处理后可以除去环氧、羟基、羰基等环氧官能团，但是石墨烯晶格缺陷的修复仍需更高温度。Shen等通过自然蒸干的方式制备了氧化石墨烯薄膜，并通过2000 ℃热处理的方式对氧化石墨烯薄膜进行石墨化，C/O原子比由石墨烯薄膜的2.9提高到石墨化后的73.1，X射线衍射(XRD)图谱上石墨烯薄膜11.1°峰完全消失，26.5°的峰宽缩窄，对应石墨(002)方向上原子层间距为0.33 nm，测量热导率为1100 W∙m−1∙K−1，热导率优于由膨胀石墨制备的石墨导热片。Xin等用电喷雾方法制备大尺寸氧化石墨烯薄膜并在2200 ℃下高温还原，得到热导率为1283 W∙m−1∙K−1的石墨烯导热膜，通过SEM截面图观察发现具有紧密的片层排列结构，且具有较好的柔性。通过拉曼光谱、XPS和XRD表征可以看出，2200 ℃为氧化石墨烯还原的最适宜温度，当还原温度更高时，石墨烯的电导率和热导率提升不再显著(图3)。4.1.2 提高石墨烯膜厚度的关键技术制备较厚的石墨烯导热膜也是研究者关心的课题。理论上讲，增加石墨烯膜的厚度只需刮涂较厚的氧化石墨烯薄膜即可。但实际操作中存在如下问题：(1)刮涂厚膜的成膜质量不高。由于氧化石墨烯分散液的浓度较低(低于10% (w))，除氧化石墨烯外其余部分均为水，需要长时间蒸发。氧化石墨烯片层与水分子以氢键相互作用，蒸发时水分子逸出，使得氧化石墨烯片层之间通过氢键形成交联，在表面形成一层“奶皮”状的薄膜。这层薄膜使氧化石墨烯分散液内部的水分蒸发减慢，且导致氧化石墨烯片层取向不一致，降低成膜质量。(2)难以通过一步法得到厚膜。由于氧化石墨烯分散液浓度较低，无论刮涂、旋涂还是喷雾等方法都无法一次制备厚度为~100 μm的氧化石墨烯薄膜。Luo等研究发现，氧化石墨烯薄膜在蒸干成形后仍然可以在去离子水浸润的情况下相互粘接，出现这种现象是因为氧化石墨烯片层在水的作用下通过氢键彼此连接，使得氧化石墨烯薄膜可以像纸一样进行粘贴起来。Zhang等利用类似的方法将制备好的氧化石墨烯薄膜在水中溶胀并逐层粘贴，经过干燥、热压、石墨化、冷压之后，得到厚度为200 μm的超厚石墨烯薄膜，热导率为1224 W∙m−1∙K−1，通过红外摄像机实测散热效果优于铜、铝及薄层石墨烯导热膜(图4)。目前制备百微米厚度高导热石墨烯薄膜的研究相对较少，除了溶胀粘接的方法之外，还可以通过电加热、金属离子键合等方法实现氧化石墨烯薄膜的搭接，有望为制备百微米厚度高导热石墨烯膜提供新思路。石墨烯导热膜的部分研究成果总结于表2中。图 4 百微米厚度石墨烯导热膜的制备、表征与热性能测试

“新材料之 王”是什么？ 石墨是的一种同素异形体，质软，黑灰色，有油腻感。高定向热解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)是指热解石墨，经高温处理使性能接近单晶石墨的一种新型石墨，简称HOPG。在2004年来自英国曼彻斯特大学的科学家们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，把石墨片一分为二，不断重复操作，于是薄片越来越薄，最 后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。（▲三层碳原子构成的石墨结构分子示意图）在分离出单层石墨烯之前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，石墨烯的发现立即震撼了凝聚体物理学界。但是实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是一层甚至几层石墨烯。（▲由石墨烯构成的铅笔芯，图片取自央广网科普|习主席访英为何青睐&ldquo 奇迹材料&rdquo 石墨烯？2015-10-23） 石墨烯结构特点碳原子有4个价电子，石墨烯内部碳原子的3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成&pi 键，新形成的&pi 键呈半填满状态。形成的石墨烯为复式六角形晶格，每个元胞中有两个碳原子，每个原子与最近邻的 3个原子间形成3个&sigma 键，剩余的一个p电子垂直于石墨烯平面，与周围原子形成&pi 键。（▲石墨烯结构示意图，石墨烯的蜂窝状晶格包括两层互相透入的三角形晶格，每个子晶格A的格点都位于其他子晶格B确定的三角形中央，共同形成石墨烯的蜂窝状晶格）（▲石墨烯结构的波失空间，石墨烯的晶体结构与倒格子，所谓倒格子是与晶格空间相对应傅里叶变换出来的波矢空间，或称动量空间）（▲石墨烯能带结构图）我们可以看出在 K 和 K&rsquo 点附近，费米面附近的电子能量E与波矢 k成线性的关系，E= F|hk|v , 其中k为准粒子动量，Vf =106 m/s，为费米速度。色散关系是近似线性的，这等效于动量与能量的关系为线性，这也就表明电子的速度为常量，并不受动量与动能的影响。在这种情况下，薛定谔方程来描述粒子的运动已经无效了，我们需要运用引入了相对论效应的狄拉克方程来描述。关于石墨烯非常高的电子迁移率的原因也是由于狄拉克点的存在，由于量子隧穿效应的影响，电子有概率穿过高于自身能量的势场。石墨烯的优势有什么？由于存在这样的特殊结构，石墨烯具备了超高的载流子迁移性，也就具备了良好的导电性和极高的信噪比以及时间分辨率。所有性能都基于结构，所以，石墨烯同样还具备轻盈，高导热性，做同样的功所消耗电力少，化学反应性强，强度高，比表面积大，高弹性高硬度等特点，发热少等优点。这么多优点又如此应用广泛，难怪石墨烯被称为&ldquo 黑金&rdquo ，是&ldquo 新材料之 王&rdquo ！2004年被发现，发现者2010年就获得了诺贝尔物理学奖，连我们的习大大都去参观了曼彻斯特大学的石墨烯研究所呢！在笔者看来最重要的一个特点是，单层的石墨烯近乎透明，对于应用场景的限制大大减少了。石墨烯如何制备？石墨烯之父采用的是机械剥离法，这个方法较为简便，将天然石墨块放在干净的二氧化硅SiO2上，上方用透明胶带反复剥离，从而得到石墨薄片。根据菲涅尔定律，在外部光源照射下，石墨烯与SiO2基底之间会因反射光强不同呈现光学反差，并且这种光学反差随着石墨样品厚度增加有着明显改变，借此办法来确定石墨烯是否为单层或多层。这个方法虽然简便，但不适合大规模生产。除此之外还有氧化还原法, 取向附生法, 碳化硅外延法, 赫默法以及化学气相沉积法(CVD)。CVD法简单说来就是用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法，这也是目前科研机构制备石墨烯常用的方法。（▲化学气相沉积法CVD示意图）例如以铜Cu或镍Ni为基底，高温加热，并辅以甲烷作为碳源补充，使甲烷中的碳原子脱去氢，在基底上形成石墨烯。不同材质的基底对于碳原子溶解性不同，所以会产生&ldquo 石墨烯岛&rdquo 或&ldquo 石墨烯膜&rdquo ，通过控制气压高低可以获得单层石墨烯或多层石墨烯。 石墨烯的应用极高的信噪比和时间分辨率让石墨烯在生物电信号采集时具有极大的优势。目前的生物电传感器主要集中在膜片钳和微电极阵列，前者具备较高的空间分辨率，信噪比较好，但对生物体有损伤；后者没有损伤且可长时间记录生物体膜外信号，但是信噪比和空间分辨率相对较低。场效应晶体管是一种很好的代替微电极阵列的记录工具，利用场效应晶体管可以很好的记录小鼠大脑皮层或者海马区的神经电生理信号，也可以将其刺穿细胞膜来记录膜内电势差。这种技术信噪比较高，集成度也不错。石墨烯场效应晶体管和传统的场效应晶体管类似，但需要在石墨烯的表面做相应的修饰，使其能特异性识别某种分子或物质这样就既可以提高生物相容性和灵敏度，又能把石墨烯载流子迁移率高和载流子浓度高的特点发挥得淋漓尽致。上图为60通道石墨烯微电极阵列示意图，PI：1-&mu m-thick light-sensitive polyimide，即1微米厚光敏聚酰亚胺1，以此装置记录大鼠胚胎分离的神经细胞电生理活动。上图为石墨烯晶体管进行细胞电信号记录示意图，在柔性聚酰亚胺基底和透明基底(蓝宝石，玻璃，SiO2 /Si) 上制备了石墨烯液栅晶体管器件如上图所示，并用其记录小鼠初级海马神经元的神经信号2，因石墨烯材料透明的特点，同时结合倒置光学显微镜，观察细胞的光学特征。上图是石墨烯晶体管上培养的神经元细胞图，培养21天后的神经元进行免疫荧光染色2，DAPI(红色)和anti-Synapsin(绿色)染色，分别胞体和突触囊泡）机械剥离的石墨烯对心肌细胞电生理信号的记录3，A：在不同water gate potentias下记录的数据。蓝色、绿色和红色分别代表在 +0.05、+0.10 和 +0.15 V 下所记录。相应的灵敏度分别为 2020、398 和 2290 &mu S/V。B：所选栅极电位的代表性扩展峰值。蓝色类似于在石墨烯 FET 的 p 型器件极性处记录的结果，红色峰代表在n型器件极性处记录的结果，绿色峰代表在Gra-FET的狄拉克点附近记录的结果。上图为16通道石墨烯晶体管阵列记录HL-1细胞电生理信号4， 比例尺为100 &mu m。一个石墨烯场效应晶体管阵列中8个晶体管在数十秒（h）和数百秒(i)内同时记录电流的情况。图：细胞相容性测试，37摄氏度下，不同浓度纯石墨烯（上）和氧化石墨烯（下）处理Vero细胞后的存活率情况5。 石墨烯最 新应用研究近日，来自曼彻斯特大学的纳米医学实验室的研究者们利用利用石墨烯近乎透明的特点，监测脑缺血小鼠大脑皮层的电信号，并同时监测皮层血流灌注量变化情况，因为石墨烯近乎透明的性质，在激光成像下不会产生激光伪影（如下图所示）。（▲利用石墨烯透明的特点，监测脑缺血小鼠大脑皮层的电信号，并同时监测皮层血流灌注量变化情况，由RWD RFLSI Ⅲ激光散斑血流成像系统采集）总结石墨烯具备了许多神经电极活性材料的特性，如良好的相容性、化学稳定性、柔韧性、光学透明性和高导电性等，为更精 准的神经电生理研究提供了新的选择。识别下方二维码快来免费申请试用吧* 敬请期待下期内容，脑卒模型下的神经电生理相关特点。【参考文献】1：Du X, Wu L, Cheng J, Huang S, Cai Q, Jin Q, Zhao J. Graphene microelectrode arrays for neural activity detection. J Biol Phys. 2015 Sep 41(4):339-47.2. Veliev F, Han Z, Kalita D, Brianç on-Marjollet A, Bouchiat V, Delacour C. Recording Spikes Activity in Cultured Hippocampal Neurons Using Flexible or Transparent Graphene Transistors. Front Neurosci. 2017 11:466.3. Cohen-Karni T, Qing Q, Li Q, Fang Y, Lieber CM. Graphene and nanowire transistors for cellular interfaces and electrical recording. Nano Lett. 2010 Mar 10 10(3):1098-102.4. Hess LH, Jansen M, Maybeck V, Hauf MV, Seifert M, Stutzmann M, Sharp ID, Offenhä usser A, Garrido JA. Graphene transistor arrays for recording action potentials from electrogenic cells. Adv Mater. 2011 Nov 16 23(43):5045-9, 4968. 5. Sasidharan A, Panchakarla LS, Chandran P, Menon D, Nair S, Rao CN, Koyakutty M. Differential nano-bio interactions and toxicity effects of pristine versus functionalized graphene. Nanoscale. 2011 Jun 3(6):2461-4.

近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员王振洋团队在高结晶石墨烯宏观体的共价生长及其电学行为调制方面取得系列进展。石墨烯是具有优异力学、电学、热学和光学性能的二维碳材料。石墨烯的高效制备与宏观组装对其规模应用具有重要意义。目前，石墨烯宏观体的常规制备方法如液相自组装、3D打印和催化模板法等，仅能实现石墨烯片层间的非共价弱相互作用连接，导致石墨烯晶体结构的不连续，成为限制石墨烯宏观体电学性质的主要因素。 鉴于此，研究开发了激光辅助的layer-by-layer共价生长方法来制备高结晶石墨烯宏观体。分子动力学模拟从理论上揭示了它的共价生长机制。共价生长法使得材料具有连续的晶体结构，且与非共价组装相比，其跨层电导率实现了100倍的提升。该材料有助于解决石墨烯规模化应用面临的层状堆垛、晶体质量调控、离子输运通道、体积效应等问题，为石墨烯的储能电极应用奠定了基础。相关研究成果发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。 此外，为了解决石墨烯电极中低自由电子浓度导致的电导率不理想的问题，研究将富含自由电子的铜纳米粒子引入到材料体系，在Cu与石墨烯界面形成了稳定的Cu-C键，从而通过电子注入实现了复合材料超高的导电性能，电导率达到与纯金属接近的0.37×107 S m-1， 是纯石墨烯的3000倍。研究进一步利用X射线吸收精细结构（XAFS）光谱，结合密度函数理论（DFT）模拟揭示了界面结构对电导率的影响，这对石墨烯的电导率调制以满足不同应用具有重要意义。相关研究成果发表在《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省科技重大专项和安徽省重点研发计划等的支持。 高结晶石墨烯宏观体的layer-by-layer共价生长及其表征。　　（a）不同铜含量的石墨烯电导率；（b）不同铜含量的石墨烯载流子迁移率和载流子密度。

“石墨烯产业必须要有‘杀手锏级’的应用，我们一定要在这方面下功夫，瞄准现在，关注未来。”中国科学院院士、北京大学化学与分子工程学院教授、北京石墨烯研究院院长刘忠范近日在接受媒体采访时再次强调。因在纳米领域做出的卓越成果，刘忠范获得第八届纳米研究奖。该奖项由《纳米研究（英文版）》（Nano Research）编委会、清华大学出版社以及施普林格出版社于2013年共同设立，旨在表彰在纳米研究领域做出重大贡献、进而推动纳米学科发展的杰出科学家。今年与刘忠范一起获奖的是荷兰代尔夫特工业大学Cees Dekker院士教授。 我国位列石墨烯研究第一方阵在世界纳米材料研究领域，刘忠范被公认为是先驱和重要领导者。他推动和见证了我国石墨烯产业的快速发展。石墨烯是目前世界上已知最薄、最坚硬、导电性和导热性最好的材料，因此被称为“会改变世界的材料”，石墨烯产业也成为各国竞争的新材料领域之一。“我们国家起步与发达国家几乎同步，得益于国家对发展新材料的重视，这些年我国石墨烯产业发展很快。”刘忠范介绍到，截至去年底，我国石墨烯产业相关企业近17000家，论文总数占全球三之一强，专利数量占全球总数三分之二强，“不管从研究规模还是人才队伍看，我们已经属于第一方阵。” 石墨烯产业不能急于求成 刘忠范说，“石墨烯热”仍在持续，“最近，深圳石墨烯产业园揭牌，这是我国第三十个石墨烯产业园。”即便如此，在刘忠范看来，我国石墨烯产业才刚刚起步。“一个产业的发展成熟不可能一蹴而就。”他以碳纤维为例，“已经花了60年，还远没有成熟，而石墨烯从2004年在实验室被发现，迄今也才17年时间。”从这一角度看，刘忠范多次强调，我国石墨烯产业不能急于求成，一定要放眼未来，要追求原创性突破和打造核心竞争力。“迄今为止，我们的石墨烯产业更多关注具体产品，如何挣快钱。”刘忠范介绍道，目前市场上石墨烯产品主要集中在三大应用上：一是石墨烯大健康和电热产品，如电热服和电暖画；二是石墨烯改性电池；三是防腐涂料。这三大品类占据石墨烯产品的近90%，但它们未必是未来的主导应用。反观国外，人们更多关注的石墨烯传感器和探测器、石墨烯可穿戴技术、石墨烯微波通讯器件、石墨烯复合材料、石墨烯海水淡化技术等。在刘忠范看来，这些东西不能立即变现，不能期待几年之内就有多么大的产业，但是它们代表着石墨烯材料的未来。专注寻找石墨烯“杀手锏级”的用途刘忠范担心，“我们起了个大早，赶了个晚集。”这也是他一直强调要专注寻找石墨烯“杀手锏级”应用的原因在他看来，“杀手锏”级别的应用是建立在日趋完美的高性能石墨烯材料基础上的，“研究人员一定要有耐心和坚持，既需要原创性的基础研究，也需要精益求精的研发和持续不断的投入。”刘忠范还强调了材料制备问题。“未来的石墨烯产业依赖于石墨烯材料本身，没有好的材料也就失去了产业的根基，所以把材料做好是关键。”他说，目前的石墨烯材料质量还差得远，在制备技术上还有非常大的提升空间。不管是材料制备还是寻找“杀手锏”，都要有“十年磨一剑”的耐心。“我研究石墨烯十三年了，尤其在石墨烯薄膜制备上下了极大的功夫，但仍有很多要解决的难题。”刘忠范说，此前自己已在纳米领域耕耘十多年，“如果没有前期的积累，我们可能也不会很快在石墨烯领域取得这些突破。我们的科研人员，尤其是青年科学家要沉下心来，做点真正有价值的东西，要么‘上货架’，要么‘上书架’，不必操之过急，做基础研究要弘扬科学家精神，面向应用要提倡工匠精神，把一件事情做到极致。”刘忠范强调，真正的核心技术，是“熬”出来的。石墨烯检测技术及应用进展为探索石墨烯“杀手锏级”的用途，促进石墨烯研发和产业化快速发展，仪器信息网联合国家石墨烯产品质量监督检验中心、全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组，将于2021年5月11日举办 “石墨烯检测技术及应用进展”主题网络会议。邀请业内专家以及厂商技术人员就石墨烯最新应用研究进展、检测技术、检测方法、质量评价体系及标准化等展开探讨，推动我国石墨烯产业健康发展。会议日程时间报告主题报告人9:00-9:30待定孙立涛（东南大学）9:30-10:00绝缘衬底表面石墨烯晶圆生长研究进展王浩敏（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）10:00-10:30待定德国耐驰热分析10:30-11:00石墨烯材料检测方法介绍刘峥（国家石墨烯产品质量监督检验中心）11:00-11:30二维半导体及异质结的生长与光电性能调控肖少庆（江南大学）11:30-14:00午休14:00-14:30待定谭平恒（中国科学院半导体研究所）14:30-15:00石墨烯导热增强复合材料与热界面材料林正得（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）15:0-15:30石墨烯结构表征及其在环保领域的应用胡学兵（景德镇陶瓷大学）15:30-16:00石墨烯等低维纳米材料的标准化动态和展望丁荣（全国纳标委低维纳米结构与性能工作组）报名方式扫描下方二维码或点击以下链接即可进入报名页面。（会议链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/Graphene2021/）报名参会加入会议交流群，随时掌握会议动态

p 　　去年，华为掌门人任正非曾表示，未来10～20年，将迎来石墨烯颠覆硅的时代。随后，有西方媒体报道，西班牙研发出石墨烯电池，充电8分钟可续航1000公里。近年来，石墨烯似乎已成为无所不能的新材料之王。 /p p 　　中国科学院长春应用化学研究所(以下简称长春应化所)研究员牛利等人近日在石墨烯材料的制备及应用研究方面取得重要进展，该成果获得2015年吉林省自然科学奖一等奖。 /p p 　　牛利在接受《中国科学报》记者采访时表示：“虽然石墨烯材料具有相当特殊的物理及化学属性，但距离真正的实际应用还有很长的路要走。” /p p 　　 strong 超级材料 /strong /p p 　　石墨烯存在于自然界，只是难以剥离出单层结构，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。 /p p 　　2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈· 盖姆和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。 /p p 　　他们不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。两人也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。 /p p 　　据牛利介绍，石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状结构的一种碳质新材料，具有极好的电学、力学、热学以及光学性能。 /p p 　　常温下，石墨烯电阻率比铜或银更低，是世界上电阻率最小的材料。石墨烯因电阻率低、电子迁移的速度快，有望用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。 /p p 　　石墨烯既是最薄的材料，也是最韧的材料。曾有实验证实，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，却可以承受一只一千克的猫。 /p p 　　另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。 /p p 　　石墨烯的特殊性能使其迅速成为国际先进材料研发的新热点，引发了国内外科研人员的跟踪研究，牛利团队就是其中之一。 /p p style=" text-align: center " img title=" untitled1.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201512/insimg/397ad04f-a6c9-4ae0-b410-480666e616ca.jpg" / /p p style=" text-align: center " 诺沃肖洛夫团队捐赠给斯德哥尔摩的石墨、石墨烯和胶带 /p p 　　 strong 性能改良 /strong /p p 　　这些年，牛利带领长春应化所现代分析技术工程实验室材料电化学课题组，密切关注国际石墨烯材料研发发展的最新趋势，围绕二维石墨烯材料理论设计、制备合成、性质表征以及其在电分析化学领域的应用开展了系列研究工作。 /p p 　　由于石墨烯片层之间具有强烈的相互作用，使其非常难以剥离。牛利告诉记者：“传统的氧化剥离方法是通过强氧化剂，让石墨烯边缘发生氧化作用，出现片层结构扭曲。这种方法由于使用大量的强氧化剂，如高锰酸钾、浓硫酸等试剂，制备的石墨烯材料结构可控性差，缺陷多，产率也较低。”此外，该方法直接产生的是石墨烯氧化物，还需要进一步的还原处理才能得到最终的石墨烯材料。 /p p 　　牛利团队利用微波能量辅助，同时辅以有机小分子插层剂，在石墨片层间通过微波逐渐渗透插层剂，使石墨烯片层逐渐剥离。“这项技术方法无需经过石墨烯氧化阶段，不仅可以直接制得高度还原性的石墨烯材料，还可以低成本、大批量制备高品质的石墨烯材料。” /p p 　　当前，国际上制备石墨烯薄膜多采用昂贵的CVD(化学气相沉积)方法，牛利团队发现，这种方法很难控制薄膜的厚度，特别是难以进行复杂的图案化设计。另外，化学还原剂无论是液态还是气相的，都会导致二次化学试剂的使用。 /p p 　　“我们采用电化学技术，仅仅通过界面的电子转移过程，就可以控制石墨烯氧化物在界面的电化学还原沉积程度，这种方法技术简单、成本低廉、绿色环保，同时结构厚度、性状可控。”牛利说。 /p p 　　牛利团队还探索了新型石墨烯及其杂化材料在电极界面修饰、分析传感及其他相关领域的应用。 /p p style=" text-align: center " img style=" width: 499px height: 420px " title=" untitled2.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201512/insimg/f7e4c11e-2c48-4aa2-93bd-047c011cbc1e.jpg" width=" 499" height=" 509" / /p p style=" text-align: center " 显微镜下的石墨烯“单晶” /p p 　　 strong 目标驱动 /strong /p p 　　他们设计制备了石墨烯片层、薄膜和石墨烯杂化材料，并进一步探索了石墨烯及其杂化材料的化学结构特征和反应机理，将石墨烯及其杂化材料应用在传感分析、复合材料以及能源环境领域。 /p p 　　“作为工业技术，石墨烯要实现产业化，仍有许多未能克服的困难。”牛利指出，尽管国际上已经发布一些研究结果，将石墨烯用于电池电极材料、电容器器件构造、力学增强材料、导热薄膜等应用领域中，但这些领域的研究还有诸多的科学及工程技术问题亟待解决。 /p p 　　因为石墨烯的制备方式目前在技术上还存在缺陷，通过实验室内研制的石墨烯成本居高不下。曾有研究人员计算出目前的石墨烯价格高达5000元/克，比黄金还贵十几倍。 /p p 　　围绕化学制备石墨烯材料，低成本、大批量制备高品质石墨烯是个值得关注的技术问题。围绕微电子学及器件领域，科研人员还需要解决如何降低器件材料的制备成本、提高器件结构的均一性，如何将微观操作及纳米构造技术用于石墨烯器件中等问题。 /p p 　　目前在石墨烯材料的一些应用领域，如储能器件、导热材料、透明薄膜等方面，虽然已经有围绕需求的、具有应用前景的研究工作报道，但由于缺乏明显的直接应用领域及工程技术方法的结合应用，导致研究工作与应用需求还存在一定的距离。 /p p 　　牛利告诉记者：“将基础研究与工程技术方法有机结合，特别是与应用目标驱动结合，将会使石墨烯材料研究成果更好地投入到实际应用中。” /p

01. 导读石墨烯已经实现了许多最初预测的特性，并且正朝着市场迈进。然而，尽管预测的市场影响巨大，基于石墨烯的高性能电子和光子学仍然落后。尽管如此，已经报道了一些令人印象深刻的光电子器件演示，涉及调制器、混频器和光电探测器（PDs），特别是利用石墨烯的高载流子迁移率、可调电学特性和相对容易集成的石墨烯光电探测器已经得到了证明，例如展示了利用光增益效应的高响应度或超过100 GHz的带宽。从紫外线到远红外线之间，尽管石墨烯几乎具有均匀吸收特性，但其相对低的吸收率约为2.3%，这是其中一个主要挑战。因此，大多数速度最快、性能最佳的探测器都是在硅或硅化物等光子集成电路（PIC）平台上进行演示的。通过石墨烯的电场的平行传播，可以提供更长的相互作用长度，从而增加吸收率。通过使用等离子体增强技术，甚至可以实现更短和更敏感的探测器。尽管在光子集成电路上使用石墨烯已经展示了多种功能应用，但光子集成电路的整合也有其代价。光子集成电路的整合限制了可访问的波长范围，无论是由于波导材料（如Si）的透明度限制，还是由于集成光学电路元件（如光栅耦合器、分光器等）的有限带宽。此外，光子集成电路的整合对偏振依赖性和占地面积都有一定的限制，这是由于访问波导的原因。光子集成电路的模式和等离子体增强也意味着所有光线只与石墨烯的一个非常有限的体积相互作用，导致早期饱和的发生，有效地将最大可提取的光电流限制在微安级别。作为一种替代方案，可以直接从自由空间垂直照射石墨烯。这种方法可以充分利用石墨烯的光电检测能力，而不会受到所选择光子平台的限制。然而，这需要一种结构来有效增强石墨烯的吸收。此外，由于器件尺寸较大，对整体器件几何结构和接触方案的额外考虑更加关键。尽管如此，已经证明即使是与自由空间耦合的石墨烯探测器也可以达到超过40 GHz的带宽。由于没有光子集成电路的一些约束，整体效率不会受到耦合方案的影响，而且其他属性，如不同波长和偏振，现在也可以自由访问。例如，最近利用任意偏振方向来演示了中红外区域的极化解析检测中的定向光电流。石墨烯提供了多种物理检测效应：与传统的光电探测器（如PIN光电二极管或玻璃热计）只使用一种特定的检测机制不同，石墨烯探测器具有多种不同的检测机制，例如基于载流子的机制[光电导（PC）和光伏（PV）]，热机制[玻璃热（BOL）和光热电（PTE）]，或者增益介质辅助的机制。最近的器件演示已经朝着光热电复合操作的方向推进，以克服依赖偏置检测机制时的高暗电流问题。对石墨烯的时间分辨光谱测量表明，载流子动力学可以实现超过300 GHz的热和基于载流子的石墨烯光电探测器。对于设计高速、高效的石墨烯光电探测器来说，目前仍不清楚哪种直接检测机制（PV、PC、BOL或PTE）可以实现最高的带宽，并且这些效应中的许多效应可以同时存在于一个器件中，使得专门的设计变得困难。02. 成果掠影鉴于此，瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所Stefan M. Koepfli报道了一种零偏置的石墨烯光电探测器，其电光带宽超过500 GHz。我们的器件在环境条件下可以覆盖超过200 nm的大波长范围，并可适应各种不同的中心波长，从小于1400 nm到大于4200 nm。材料完美吸收层提供共振增强效应，同时充当电接触，并引入P-N掺杂，实现高效快速的载流子提取。光可以通过标准单模光纤直接耦合到探测器上。直接的自由空间耦合使光功率可以分布，导致高于100 mW的饱和功率和超过1 W的损伤阈值。该探测器已经经过高速操作测试，最高速率可达132 Gbit/s，采用两电平脉冲幅度调制格式（PAM-2）。多层结构几乎可以独立于基底进行加工处理，为成本效益高的技术奠定了基础，该技术可以实现与电子器件的紧密单片集成。我们进一步展示了该方法的多样性，通过调整超材料的几何形状，使其在中红外波长范围内工作，从而在原本缺乏此类探测器的范围内提供高速和成本效益高的探测器。因此，这种新型传感器为通信和感知应用提供了机会。相关研究成果以“Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz”为题，发表在顶级期刊《Science》上。03. 核心创新点本文的核心创新点包括：1. 基于图形石墨烯的光电探测器：本文提出了一种利用单层石墨烯的光电探测器。与传统的光电二极管或波尔计可以利用一种特定的探测机制不同，图形石墨烯探测器具有多种不同的探测机制，包括载流子机制、热机制和增益介质辅助机制。2. 电光带宽：本文展示了具有大于500 GHz的电光带宽的图形石墨烯探测器。这意味着该探测器能够高速响应光信号，适用于高速通信和数据传输。3. 多波段操作和宽光谱范围：图形石墨烯探测器能够在多个波段上工作，并且具有超过200 nm的宽光谱范围。这使得该探测器在通信和传感等领域具有广泛的应用潜力。4. 自由空间耦合和紧凑集成：本文展示了通过自由空间耦合的方式将光信号直接耦合到探测器中，避免了光子集成电路中的限制，并且实现了紧凑的集成。这使得探测器具有更好的灵活性和可扩展性。5. 高饱和功率和低压操作：图形石墨烯探测器具有高饱和功率，能够抵消响应度的影响。此外，它还能在低电压范围内进行操作，与CMOS技术兼容，使得探测器具有更低的功耗和更好的性能。04. 数据概览图1. 间隔式石墨烯超材料光电探测器的艺术视角。（A）从顶部直接通过单模光纤照射器件的艺术化表现。（B）器件结构的可视化。光电探测器由金反射层背板、氧化铝间隔层、单层石墨烯和相连的偶极子谐振器组成。金属线具有交替的接触金属，由银或金制成。然后，该结构由氧化铝钝化层封顶。图2. 制备的器件和模拟的光学和电子行为。（A至D）所提出的超材料石墨烯光电探测器（钝化前）的扫描电子显微图，放大倍数不同。显微图展示了从电信号线到活动区域再到谐振器元件的器件结构。在（D）中显示了四个单元格（每个单元格大小为1 mm × 1 mm），位于x和y坐标系中。比例尺分别为50mm（A），5 mm（B）和1 mm（C）。（E至G）同一单元格的模拟光学和静电行为。图（E）中展示了电磁场分布下的偶极子天线行为，图（F）中展示了相应的吸收分布。大部分吸收都集中在偶极子谐振器附近。图（G）中展示的模拟接触金属引起的电势偏移显示了由于交替接触金属而引起的P-N掺杂。沿着每种模拟类型（（E）至（G））的中心线（y = 1000 nm）的横截面位于每个面板的底部，显示光学信号和掺杂在接触区域附近最强。图3. 用于电信波长的器件性能。（A）用光学显微镜拍摄的器件在与电子探针接触时的顶视图（顶部）和侧视图（底部）图像。图像显示了与单模光纤的直接光学耦合。DC表示直流，RF表示射频。（B）归一化的光电响应随照射波长变化的曲线图，显示了共振增强和宽带工作。FWHM表示半峰全宽。（C）光输入功率变化范围内提取的光电流，范围跨越了五个数量级（黑线）。蓝线对应于器件上的光功率（Int.），而黑线对应于单模光纤输出的功率（Ext.）。响应度分别为Rext = 0.75 mA/W和Rint = 1.57 mA/W。（D）石墨烯光电探测器在2至500 GHz范围内的归一化频率响应。测量结果显示平坦的响应，没有滚降行为。WR代表波导矩形。（E）不同射频音调下的归一化射频响应随栅压的变化。发现理想的栅压在-2.5 ±1 V附近，使得响应平坦，这对应于轻微的P掺杂，可以从底部的电阻曲线中看出。电阻曲线进一步显示靠近0 V的狄拉克点和非常小的滞后行为（在图S2中进一步可视化）。（F）测量栅电压范围的相应模拟电势剖面，显示了理想的栅电压（以红色突出显示），对应于两个接触电平中心处的掺杂。图4. 光谱可调性和多共振结构。（A至C）模拟（A）和测量（B）不同元件共振器长度的光谱吸收，展示了元件结构的可调性。图中给出了四个示例的极化无关设计的扫描电子显微镜图像（C），其中颜色对应于（A）中所示的共振器长度刻度。比例尺为1 mm。（D至G）多共振器件的概念。（D）针对1550和2715 nm的双共振器件的扫描电子显微镜图像。顶部比例尺为1 mm，底部比例尺为5 mm。（E）相应的电场模拟，使用3个单元单元格乘以2个单元单元格的双共振器件，激发波长分别为1550和2715 nm，显示了两个不同尺寸共振器的清晰偶极子行为。（F）器件上的光电流与光功率的关系图和（G）两个波长的测量响应度与电压的关系图。05. 成果启示我们展示的2 GHz至500 GHz以上的电光带宽光电探测器与传统的PIN光电探测器技术和单向载流子光电二极管相媲美。垂直入射的元件结构图形PD在单个器件中充分发挥了图形的预期优势。从概念上讲，该探测器的性能利用了元件吸收增强、通过图形-金属接触掺杂的内置电场、通过静电门实现的良好控制的工作点以及化学气相沉积生长的图形的有效封装。探测器依赖于相对简单的金属-绝缘体-图形-金属-绝缘体的层状结构，这种结构潜在地可以在几乎任何衬底上进行后处理，并支持与现有结构的高度密集的单片集成，类似于等离子体调制器的示例。与大多数先前关于图形探测器的工作不同，我们展示了在无冷却条件下的空气稳定操作，使用了与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的低电压范围的栅压，这是由于直接生长的封装层结构与底部绝缘体设计的结合效果所致。通过这些器件，我们展示了132 Gbit/s的数据传输速率，这是迄今为止已知的最高速度的图形数据传输速率。高饱和功率使得高速检测成为可能。在受到射击噪声限制的通信系统中，高饱和功率可以抵消适度的响应度，因为信噪比与响应度和输入功率成正比。此外，适度的响应度可以改善。以前的自由空间照明的图形光电探测器依赖于载流子倍增或基于剥离的多层图形而达到了更高的响应度，而没有任何光学增强。因此，还有很大的空间来共同努力进一步完善这个概念，改进制造工艺，并实现更高质量的图形材料。这些努力很可能会导致新一代的基于图形的探测器，具有足够的响应度。最后，大于500 GHz的高带宽和图形的波长无关吸收使得探测器可以在从1400 nm到4200 nm及更远的范围内的任何波长上工作。这对于传感和通信都是相关的。例如，在电信领域，持续增长的数据需求导致了对新通信频段的强烈需求。这种具有紧凑尺寸和与CMOS集成能力的新型探测器可能能够满足当前迫切需求。原文详情：Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertzStefan M. Koepfli, Michael Baumann, Yesim Koyaz, Robin Gadola, Arif Gngr, Killian Keller, Yannik Horst, ShadiNashashibi, Raphael Schwanninger, Michael Doderer, Elias Passerini, Yuriy Fedoryshyn, and Juerg Leuthold.Science, 380 (6650),DOI: 10.1126/science.adg801

01背景介绍随着集成电路和电子器件技术的快速发展，高功率密度电子设备的有效散热已成为确保其可靠性和使用寿命的主要因素之一。热界面材料通常被用来填补散热器和发热元件之间的间隙，以消除由非流动空气产生的高界面热阻。聚合物基材料因其轻质、电绝缘和高机械强度而被广泛用作导热材料。遗憾的是，由于分子构型无序，其固有热导率不能满足应用需求。一种可行的策略是将高导热填料与柔性和绝缘聚合物相结合，从而制备综合性能优良的复合材料。研究人员已经创造性地将各向异性的导热填料有序排列以获得具有优良各向异性导热性的TIM。由于导热路径最短，各向异性填料在基体厚度方向上的有效垂直排列以构建连续的传热路径，并进一步提高垂直透面导热系数，引起了研究人员的高度重视。人们已提出了电场或磁场、流动剪切力、定向冻结法和化学气相沉积等几种有效的策略来构建垂直取向结构以提高TIM的透面导热性。然而，垂直结构排列的二维填料并没有显示出明显的各向异性热导率增强。一维材料在其一个自由度的定向方向上可以达到最大的性能。近年来，碳纤维、碳纳米管、石墨烯等碳材料因其高导热性和优异的力学性能被广泛应用于TIMs的导热填料，其中一维中间相沥青基碳纤维的各向异性导热系数较高，轴向导热系数和径向导热系数分别约600 W/m K和小于10 W/m K，一维材料可以在特定方向上发挥最大的性能。02成果掠影四川大学陈枫教授团队采用中间相沥青基碳纤维，通过熔融挤压法制备了高取向度的短碳纤维(CF)/烯烃嵌段共聚物(OBC)复合材料，可提供高导热性、适度的电绝缘和良好的柔韧性。由于CF/OBC复合材料中CF的高取向度（f0.9，f是CF/OBC复合材料中CF的取向度），在 30 vol%的CF负载下表现出 15.06 W/m K的贯通面热导率，同时实现了良好的电绝缘（~10-9 S/m）和低压缩强度（2.62 MPa）。TIM测量的结果表明，垂直排列的CF/OBC显示出高效的散热能力，相比于随机结构温差可达 35.2°C，可用于冷却高功率LED器件。研究成果以“An efficient thermal interface material with anisotropy orientation and high through-plane thermal conductivity”为题发表于《Composites Science and Technology》期刊。03图文导读（a）具有垂直排列结构的CF/OBC复合材料的制备流程图；（b）CF的SEM图；（c）CF的拉曼光谱图；（d）挤出的长丝；（e）垂直排列的CF/OBC复合材料。（a）丝状物的横截面和（b）垂直排列的CF/OBC复合材料的SEM图；（c）垂直排列和（d）平行排列的2D-WAXS图案，CF含量分别是1,5,10,15,20,30 vol%时，平行排列样品的2D-WAXS图，虚线标记了CF的（002）平面的环；（e）相应的方位角整合的强度曲线。（f）不同CF含量样品中（002）平面的取向度；（g）纯OBC、CF和10 vol% CF/OBC的一维XRD图；（h）从表面和横截面的X射线方向的说明；（i）表面和（j）横断面的三维XRD图。CF/OBC复合材料的导热性能。（a）垂直、平行和随机样品的热导率；（b）随机、平行和垂直排列时30 vol% CF/OBC的比较；（c）各向异性随着CF含量的增加而增加；（d）反复加热和冷却循环后30 vol% 垂直的CF/OBC的典型热导率值；（e）各向异性热导率 30 vol% CF/OBC在不同温度下的各向异性热导率；（f）CF/OBC的电绝缘性能；100℃的条件下（g）示意图、（h）红外图和（i）样品顶部的温度。CF/OBC的机械性能。（a）打结的长丝；（b）弯曲和（c）扭曲的柔韧性；（d）平行排列和（e）垂直排列的CF/OBC块体的抗压应力-应变曲线；（f）比较平行结构和垂直结构之间的抗压强度随CF含量增加的变化。30 vol%的CF/OBC切片用于界面热管理。用于LED芯片散热测试系统的红外图像（a）加热和（b）冷却；(c)原理图和(d)中心区域的平均温度与运行时间的关系。

p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp strong 仪器信息网讯 /strong & nbsp 2020年10月17日晚，2020首届国际石墨烯颁奖典礼（IGA）隆重举行，表彰为石墨烯科研和产业发展做出重要贡献的个人和企业，颁发奖项包括最佳石墨烯产品奖、最佳石墨烯企业奖、石墨烯产业示范奖、石墨烯产业促进奖、终身荣誉奖。 /p p img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/c6f13eea-6270-4ae7-a13d-e65a3ced0e81.jpg" title=" 8.jpg" alt=" 8.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 颁奖典礼现场 /strong /p p style=" margin-top: 15px " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 颁奖典礼上，国家新材料专家咨询委员会委员、中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春做活动介绍并致辞，石墨烯诺贝尔奖获得者、石墨烯发现者Andre Geim教授以录制视频形式致辞，向长期以来关心和支持石墨烯产业发展的全球石墨烯人表示衷心感谢。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/72b6726c-1f8f-497b-a2a4-df7573dd2498.jpg" title=" 6.jpg" alt=" 6.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 李义春致辞 /strong /p p strong img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/d90a7bd1-668d-48e7-a02c-66b77bcfc9a2.jpg" title=" 7.jpg" alt=" 7.jpg" / /strong /p p style=" text-align: center " strong Andre Geim视频致辞 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 首届国际石墨烯国际主席及评审团阵容强大，由来自全球20个国家和地区的，在全球石墨烯行业内具有话语权及影响力的产学界人士组成。根据国际主席团的提名，国际评审团进行投票表决，评选出全球石墨烯行业5大顶尖翘楚。 /p p style=" margin-top: 15px " strong & nbsp & nbsp & nbsp IGA2020最佳石墨烯产品奖：常州富烯科技股份有限公司的石墨烯导热膜产品 /strong /p p style=" margin-top: 10px " & nbsp & nbsp & nbsp IGA国际评审主席李义春先生题颁奖词：不甘平凡，坚守寂寞。在资本炒作的热潮里，富烯科技坚持工匠精神，精心打磨产品，五年磨一剑。将石墨烯从实验室中的完美材料，变为大规模进入百姓手中的高端电子产品，填补了国内外石墨烯高导热性电子应用产业化的空白。从无到有，从劣到优，富烯走出了石墨烯高端电子产品商业化真正意义上的第一步。 /p p style=" line-height: 1.5em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/5c8c44a4-72a8-4eae-a439-62d15da0b839.jpg" title=" 9.jpg" alt=" 9.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" font-size: 14px color: rgb(89, 89, 89) " strong 富烯科技代表领奖 /strong /span /p p style=" margin-top: 15px " strong & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp IGA2020最佳石墨烯企业奖：西班牙Graphenea公司 /strong /p p style=" margin-top: 10px " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp IGA国际评审主席Stephan Roche先生题颁奖词：精益求精，工匠精神。Graphenea在晶圆级高质量石墨烯领域上深耕多年，可谓一骑红尘。在定制化石墨烯器件、高性能晶片级石墨烯应用等领域也成果显著，为全球高精尖电子和光电子器件工业开启石墨烯时代奠定了基础。 /p p style=" margin-top: 10px " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/de2e3ac8-bee5-4452-8468-1c699e6d9498.jpg" title=" IMG_6477.jpg" alt=" IMG_6477.jpg" / /p p style=" margin-top: 15px " strong & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp IGA2020石墨烯产业示范奖：华为技术有限公司 /strong /p p style=" margin-top: 10px " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp IGA国际评审主席Rezal Khairi Ahmad先生题颁奖词：脚踏实地，志高存远。华为用实力开辟市场，用魄力创新科技，作为第一个大规模涉足商用石墨烯散热膜领域的大型终端企业，华为敢做第一个吃螃蟹的人。石墨烯散热技术在华为手机上的成功，为石墨烯产业发展方向打开了一扇新的大门。 /p p style=" margin-top: 10px " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/497cde5a-f433-4af3-836e-7b78ede4d936.jpg" title=" IMG_6478.jpg" alt=" IMG_6478.jpg" / /p p style=" margin-top: 15px " strong & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp IGA2020石墨烯产业促进奖：西安丝路石墨烯创新中心 /strong /p p style=" margin-top: 10px " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp IGA国际评审主席冯新亮先生题颁奖词：助力产业，创新驱动。自西安丝路成立以来，坚持以创新服务为根本，立足石墨烯企业需求，开拓石墨烯下游应用市场。两年间，先后成立了八大应用研究院，成功为西安当地引入了40余石墨烯企业及项目，帮助西安高新区完成了石墨烯产业从无到有，从少到多的质变。 /p p img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/fe10ef93-3495-4785-a657-040c0f9991a4.jpg" title=" 5.jpg" alt=" 5.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong span style=" font-size: 14px color: rgb(89, 89, 89) " 西安丝路石墨烯创新中心代表领奖 /span /strong br/ /p p style=" margin-top: 15px " strong & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp IGA终身荣誉奖 ：Andre Geim教授 /strong /p p style=" margin-top: 10px " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp IGA国际评审主席Dusan Losic先生题颁奖词：从三维到二维，从恶搞到诺奖，安德烈海姆教授真正意义上的开创了石墨烯的时代。不拘泥于国界，不迂腐于市场，他奔波于学术和产业的浪潮中，却只为向世人证明石墨烯对工业的意义。 /p p style=" margin-top: 10px " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/3d199217-a682-44be-b63e-2c71c49a35db.jpg" title=" IMG_6489.JPG" alt=" IMG_6489.JPG" / /p

近日，上海交通大学物理与天文学院李听昕课题组、李政道研究所刘晓雪课题组在《Nature》上发表题为“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”的研究论文。该项研究首次在单晶石墨烯中观测到电子掺杂情况的超导电性，这对于理解晶体石墨烯及转角石墨烯系统的超导机理，设计制备基于石墨烯系统的高质量新型超导量子器件等具有重要意义。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07584-w 超导这一宏观量子现象最早由荷兰科学家H. K. Onnes于1911年在研究汞在低温下的电学输运性质时被首次观察到，是凝聚态物理学中里程碑式的发现之一，有关超导材料和超导机理的研究是物理学及相关领域研究中经久不衰的课题。2018年，有关魔角双层石墨烯的研究首次在石墨烯系统中观察到超导电性，这一研究立即引起了国际物理学界的广泛关注，引领了有关二维莫尔超晶格研究的热潮。此后，研究者们在转角多层石墨烯莫尔超晶格系统中也观测到了超导电性，而转角石墨烯中超导与平带之间的关系、超导的配对机制等，至今仍是领域内备受关注的重要科学问题。魔角双层石墨烯对两层石墨烯之间的转角要求十分苛刻，容忍度仅在魔角1.1度正负偏差0.1度的范围，这在一定程度上限制了对魔角石墨烯中超导电性的深入研究。图一 样品结构示意图和光学显微镜照片2021年，研究者首次在不需要莫尔超晶格的亚稳态单晶石墨烯，即菱方堆垛的三层石墨烯中，通过栅极静电调控，观察到空穴掺杂的超导现象，其超导转变温度约为100 mK，这一研究结果也马上引起了广泛的关注。随后，2022年，在施加约0.15 T平行磁场和垂直位移电场（约1 V/nm）的条件下，人们在空穴掺杂的Bernal堆垛双层石墨烯也观察到了超导态，但其超导转变温度仅约为30 mK. 不同于魔角石墨烯和菱方堆垛石墨烯系统，Bernal堆垛的双层石墨烯是天然石墨的基本组成单元，是一种稳定的晶体结构，这为可控制备高质量样品、以及未来研制基于石墨烯的新型超导量子器件提供了理想的实验平台。之后的研究发现，将半导体过渡金属硫族化合物二硒化钨（WSe2）与Bernal堆垛的双层石墨烯组合形成异质结构时，由于近邻效应，增强了石墨烯体系的自旋轨道相互作用，有趣的是，这使得双层石墨烯的超导态能在零磁场下显现，并且超导转变温度被显著提升至约300 mK. 但由于实验中可实现的位移电场范围的限制，无法完全揭示双层石墨烯空穴超导态随位移电场变化的性质与规律；而且，其超导配对机制以及二硒化钨对石墨烯系统超导态的影响机制仍是悬而未决的问题。此外，之前有关高质量双层石墨烯器件中自发对称性破缺态和超导态的研究主要集中在价带（空穴掺杂），而对导带（电子掺杂）的关注较少。图二 实验揭示的双层石墨烯与二硒化钨异质结系统的相图，以及观察到的空穴和电子掺杂情况的超导态通过优化样品制备方法，上海交大实验团队成功制备出高质量双层石墨烯与二硒化钨异质结样品，使得可以对其施加高达1.6 V/nm的垂直位移电场。通过开展系统的极低温量子输运测量，结合电场调控和静电掺杂调控，他们揭示了该系统中空穴掺杂超导随位移电场和载流子浓度变化的完整相图；更为重要的是，实验上在电子掺杂的情况也观察到超导态，这是在单晶石墨烯中首次观察到电子掺杂的超导电性。空穴端和电子端的超导态强度都可以通过外加的垂直位移电场进行有效调节，实验上测量到的最高超导转变温度分别约为450 mK和300 mK，这也是目前在单晶石墨烯系统中观察到超导转变温度的最高记录。图三 在外加高垂直位移电场下，Bernal堆叠双层石墨烯电子端量子振荡及费米面分析通过测量高质量石墨烯样品的纵向电阻随垂直磁场的量子振荡（即Shubnikov-de Haas效应，简称SdH振荡），可以得到有关能带费米面的重要信息，这对于理解体系中由于电子关联相互作用导致的自发对称性破缺态，以及超导配对机制等都具有重要的意义。该研究工作详细测量了在不同位移电场下，低磁场区间空穴掺杂和电子掺杂时的SdH振荡。分析结果表明，在较高的位移电场下，双层石墨烯在空穴掺杂和电子掺杂时均出现了一系列自发对称性破缺态，这些态的出现与能带的范霍夫奇点以及电子-电子相互作用相联系。特别地，当施加电场使得双层石墨烯中的电子或空穴靠近二硒化钨层时，SdH振荡的频率发生了进一步的变化，这是因为当电子和空穴靠近二硒化钨层时，感受到了明显的自旋轨道耦合作用，从而导致电子态的简并度和费米面的结构发生变化。实验结果表明，空穴掺杂和电子掺杂的超导的正常态均对应于费米面为部分极化的情况。最后，该工作详细对比了双层石墨烯中电子掺杂超导和空穴掺杂超导的性质。出乎意料的是，在选取的超导转变温度，超导临界垂直磁场等超导性质类似的情况下，空穴掺杂超导和电子掺杂超导展现了截然不同的平行磁场依赖性。具体而言，空穴掺杂的超导态违反了泡利顺磁极限，而电子掺杂的超导性却始终遵循泡利顺磁极限。之前的研究工作认为，二硒化钨对石墨烯系统超导态的增强效果可以通过近邻效应引入的Ising自旋轨道耦合相互作用的角度来理解，而超过泡利顺磁极限的空穴掺杂超导是Ising自旋轨道耦合相互作用的直接结果。而在此项工作中，尽管通过费米面分析在导带中也观测到明显的Ising自旋-轨道耦合相互作用，但电子掺杂的超导电性却没有违反泡利顺磁极限。这一观察预示着二硒化钨对双层石墨烯中超导的增强效果可能不仅仅来自于近邻效应引入的Ising自旋轨道耦合相互作用。该成果上海交大团队主要成员：（从左至右）刘晓雪、李佳熠、李楚善、徐凡、李听昕这一研究工作突显了在高位移电场下双层石墨烯系统中涌现的丰富量子物态，其中很多现象和性质还值得进一步的理论和实验研究。该工作不仅为理解单晶石墨烯乃至魔角石墨烯的超导机理提供了重要的实验信息和约束，而且为基于稳态结构的单晶石墨烯设计和制造新型超导量子器件奠定了坚实基础。论文第一作者为上海交通大学物理与天文学院博士研究生李楚善。共同通讯作者为物理与天文学院李听昕副教授，李政道研究所刘晓雪副教授和武汉大学吴冯成教授。论文的合作者还包括上海交通大学贾金锋教授，博士研究生徐凡，李佳熠；武汉大学博士研究生李泊浩；中科院物理研究所吕力研究员，沈洁研究员，仝冰冰副主任工程师，博士研究生李国安，以及日本国立材料研究所Kenji Watanabe研究员和Takashi Taniguchi研究员。此项研究涉及的器件微纳加工部分在上海交通大学物理与天文学院微纳加工平台完成，极低温测量在中国科学院综合极端条件实验装置完成。本工作得到科技部、国家自然科学基金委、上海市和上海交通大学的资助。

中科院苏州纳米所钱波团队的郭浩等人提出一种3D打印层状石墨烯气凝胶的新策略。应用3D打印定制的针对不同氧化石墨烯墨水的狭缝挤出头，并在墨水中加入叔丁醇，抑制冰晶生长，最后应用定制挤出头3D打印制备得到层状石墨烯气凝胶，实现相比同类材料更高的电导率和电磁屏蔽性能，以及高灵敏压阻传感性能。图1 3D打印层状石墨烯气凝胶及其电磁屏蔽和压力传感特性 二维材料气凝胶因其在电磁屏蔽、传感器、柔性器件、超级电容器及油污吸附等方面的应用吸引了人们广泛的研究兴趣。由于二维材料本身的各向异性特性，相比各向同性结构，层状二维材料气凝胶在特定方向展示出优异的机械、电子、热性能。然而，目前制备层状结构二维材料气凝胶的方法较少，比较常用的是定向冷冻方法，但该制备方法在尺寸和形状上尚缺乏自由度，在性能上也仍有提升的空间。同时由于，二维材料分散液具有剪切变稀的特性，在剪切力的作用下，可以实现液晶形态的取向分布，如果能充分利用这一特性，将有望通过挤出装置实现取向结构二维材料气凝胶的制备，从而提升样品制备的自由度，并进一步提升材料性能。中科院苏州纳米所钱波团队的郭浩等人针对这一问题，提出一种3D打印层状石墨烯气凝胶的新策略。为充分利用氧化石墨烯墨水的剪切变稀特性，研究团队根据不用配方墨水的剪切变稀特性定制设计并应用摩方精密nanoArch S140高精度光固化3D打印机制备了可使对应氧化石墨烯墨水实现长程有序液晶形态的狭缝挤出头，狭缝尺寸50 μm，应用该挤出头在冷冻衬底上逐层3D打印相对应墨水。由于氧化石墨烯水基墨水中的水在冷冻衬底上结晶生成大尺寸冰晶，这将破坏狭缝挤出氧化石墨烯的液晶形态，为解决这一问题，团队通过调节叔丁醇在墨水中的含量，减小了冷冻衬底上冰晶生长的尺寸，从而降低了冷冻过程对于取向结构的破坏，最终通过冷冻干燥和化学还原实现了层状结构石墨烯气凝胶的制备。图2 根据墨水的流变性能设计并打印挤出头 研究显示，通过3D打印新策略制备的石墨烯气凝胶的层状结构清晰。得益于该层状结构，本研究3D打印的石墨烯气凝胶展示出比同类石墨烯气凝胶更高的电导率（705.6 S m−1）、更高的电磁屏蔽性能（3 mm样品在X波段可实现最高电磁屏蔽能效68.75 dB），并可实现高灵敏的压阻传感性能（清晰的语音和脉搏信号传感分辨能力）。图3 通过墨水配方调控获得良好层状结构的石墨烯气凝胶图4 3D打印层状石墨烯气凝胶的电导率和电磁屏蔽性能图5 3D打印层状石墨烯气凝胶的力学和传感性能研究者相信，此项研究将为具有剪切变稀性能的材料制备层状取向结构材料提供一条新的路径，为纳米材料通过3D打印有序可控组装并实现更高的性能提供一个新的思路。相关论文在线发表在《Advanced Materials Technologies》上。苏州纳米所郭浩为本文第一作者，钱波为本文通讯作者，苏州大学石学军为本文的软件模拟提供了支持。论文信息：A New Strategy of 3D Printing Lightweight Lamellar Graphene Aerogels for Electromagnetic Interference Shielding and Piezoresistive Sensor ApplicationsHao Guo, Tianxiang Hua, Jing Qin, Qixin Wu, Rui Wang, Bo Qian, Lingying Li, Xuejun ShiAdvanced Materials TechnologiesDOI: 10.1002/admt.202101699原文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202101699官网：https://www.bmftec.cn/links/7

近期，中科院合肥研究院核能安全所在辐照缺陷影响热离子发电器件石墨烯电极功函数研究方面取得新进展，研究成果发表在国际材料薄膜领域期刊 Applied Surface Science 上。 　　石墨烯作为微型堆热离子发电器件电极涂层材料具有巨大的应用潜力，能够显著提升电极表面的电子发射能力。热离子发电器件在服役过程中，电极材料将面临高能粒子的辐照作用，早期的理论计算和实验研究表明，在石墨烯内部辐照诱导的缺陷类型主要是Stone-Wales缺陷、掺杂缺陷和碳空位等。缺陷的产生将会影响电极间隙内碱金属和碱土金属在石墨烯表面的吸附性质，进而改变石墨烯涂层的电子发射性能(功函数)。 　　针对上述问题，科研人员通过第一性原理计算方法在原子尺度上研究了缺陷石墨烯表面碱金属和碱土金属的吸附和迁移行为。研究结果表明：(1)石墨烯表面缺陷位点作为陷阱对金属原子具有捕获作用，Stone-Wales缺陷和碳空位缺陷附近的金属原子扩散受到了严重的阻碍，在掺杂B或O的石墨烯表面，金属原子迁移势垒也有不同程度的升高；(2)Stone-Wales缺陷、碳空位缺陷及掺杂石墨烯的表面功函数均显著增加，电子发射能力明显降低，这主要归因于电偶极子形成概率的降低以及金属内聚能的增加。本研究工作为石墨烯涂层材料在反应堆热离子发电器件中的应用提供了理论指导。 　　上述研究工作理论计算部分在合肥先进计算中心完成。图1 热离子能量转换示意图图2 碱金属和碱土金属在原始和含氧缺陷石墨烯表面的迁移行为

石墨烯(Graphene)是由单层碳原子构成蜜蜂窝形式的二维纳米结构，具有大的比表面积和良好的载流子传导性能，预期在高灵敏、低功耗室温生物化学传感器方面将得到广泛应用。然而，由于传感物质与石墨烯之间的吸附、电荷转移和脱附等相互作用，器件的有效制作方法和性能优化等方面还有大量工作需要探索。 　　一氧化氮(NO)气体一方面是有害气体，另一方面却是重要的生物功能信息传递分子。及时监测呼出气体的NO浓度变化，可对哮喘等肺部疾病的发作提前预警。然而，目前NO呼吸气体测试仪器体积偏大、价格昂贵，而且大都集中在大型医疗机构，无法在更大范围内推广使用。 　　近期，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所器件部刘立伟课题组李伟伟等与中科院物理所科研人员合作，在制作基于石墨烯的高灵敏一氧化氮气体传感器方面取得进展。研究人员以微纳加工图形化的石墨烯为电极，利用交流电泳技术制作金属纳米颗粒修饰还原的氧化石墨烯传感通道。气体分子的作用降低了石墨烯与金属颗粒之间Schottky势垒的厚度，实现了1 ppb(10亿分之一)至1 ppm(100万分之一)的高灵敏探测性能，对于低功耗、室温NO高灵敏呼吸和环境探测具有潜在应用价值。器件制作示意图和性能测试如图所示。 　　该项工作成果已经发表在ACS Nano(2011, 5 (9), pp 6955–6961)上。 　　该项研究得到了国家基金委、科技部、苏州市科技发展计划的资助，并得到苏州纳米所加工和测试平台的技术支持。 　　基于石墨烯的高灵敏传感器件结构和性能

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 2019年10月19日，在2019中国国际石墨烯创新大会同期先行举办的石墨烯节能环保产业应用发展论坛上，石墨烯节能环保应用研究院正式揭牌成立。论坛和仪式由香港大学浙江研究院执行院长、香港大学理学院/工学院教授郭正晓、中环装备总经理助理、中节能（唐山）环保装备股份有限公司董事长黄勇主持，中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春、中节能环保装备股份有限公司党委书记周宜等领导和专家出席。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/e5529449-e2cf-4e2e-9ca2-db5f6c2ba362.jpg" title=" IMG_4625.JPG" alt=" IMG_4625.JPG" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 揭牌后的石墨烯节能环保应用研究院正式成立 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 中国节能环保集团有限公司是中国节能环保领域最大的科技型服务型产业集团，2016年与唐山市签署战略合作框架协议，成立中节能（唐山）环保装备股份有限公司，致力于节能环保装备的研生产、销售和服务。本次拟成立的石墨烯节能环保应用研究院由中节能（唐山）环保装备股份有限公司和中国石墨烯产业技术创新战略联盟联合成立，研究院旨在以产业化为目标，围绕节能环保的发展需求，开展石墨烯新材料节能环保应用共性关键技术、产品和装备的研制开发。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 600px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/9f176d91-c904-4f10-b057-ab0cbacbac2b.jpg" title=" initpintu_副本.jpg" alt=" initpintu_副本.jpg" width=" 600" height=" 600" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 签约及专家受聘仪式 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 会议上举行了隆重的揭牌仪式、签约仪式和专家受聘仪式，东京大学教授、新材料与产业技术北京研究院院长古月文志和浙江大学工研院石墨烯应用研究中心主任陈威正式受聘成为中节能石墨烯节能环保应用研究院的首席专家，签约仪式后与会专家进行了学术交流活动。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/5c7570a9-c961-4073-8b7f-59fb9a7e67bb.jpg" title=" IMG_4707.JPG" alt=" IMG_4707.JPG" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 古文月志 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 纳米表面的活性特别强，纳米材料想做成产品具有重大的安全隐患需要克服，而氧化石墨烯和石墨烯由于纳米毒性非常低，因此应用空间非常广泛。东京大学教授、产业技术北京研究院古文月志做《银/卤化银/石墨烯-高效率光催化剂及环保应用》，其研究团队通过染色办法成功研制了每厘米电阻可高达100欧姆的石墨烯导电丝，且反复洗涤也不会受到影响。利用这一成果，古文月志团队先后研制出了能用10年，“具有拥抱恋人温度”的石墨烯电热毯、以及可实现手机24小时监测心脏的心电图的可穿戴传感器（EGG）。另外氧化石墨烯的制作非常危险，常有爆炸隐患，古文月志团队还在制造氧化石墨烯的过程中取得了改进，将氧化石墨烯做成向蛋糕一样的海绵体，完美解决了这个问题。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/e530b2a6-42ee-455c-aa25-3b63675c25b5.jpg" title=" IMG_4716.JPG" alt=" IMG_4716.JPG" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 郭正晓 /strong /p p style=" text-align:center" strong img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/1d181c6f-5992-4480-b6f1-f5953fff648d.jpg" title=" IMG_4721.JPG" alt=" IMG_4721.JPG" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /strong /p p style=" text-align: center " strong 毕恒昌 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 郭正晓教授和东南大学毕恒昌老师也先后做了《graphene-Based Catalysts for Enery Conversion andStorage》报告，和《Graphene-Based Materials for Purification of water and air and its industrialization progress》报告。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 600px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/cc42f308-fbeb-4c52-97f3-f0df77ea2050.jpg" title=" initpintu_副本随时.jpg" alt=" initpintu_副本随时.jpg" width=" 600" height=" 600" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 学术报告后，参会专家们就氧化石墨烯纤维结合、石墨烯地毯材料附着力、石墨烯氢能源电池、氢能产业化、石墨烯节能净化材料等方面的问题进行了踊跃交流，气氛热烈。湘潭大学郑林义教授接受记者采访时，祝贺了石墨烯节能环保应用研究院的成立，他还兴奋地表示，自己昨天晚上刚从实验室连夜赶来参加会议，这一上午收获颇丰，充分对接了产学研资源，不虚此行。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/61e2147f-d185-47cb-972c-c80ca94f7029.jpg" title=" IMG_4623.JPG" alt=" IMG_4623.JPG" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 黄勇 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 中节能（唐山）环保装备股份有限公司董事长黄勇总结强调，节能环保行业是一个不能脱离其他行业独立存在的行业，与工业发展，人居环境等方方面面密切相关。节能环保行业同时是也是一个政策导向、行业回报率高的行业，需要新技术的不断涌现和产业化的持续投入与付出，希望通过石墨烯节能环保应用研究院的成立，开展石墨烯在节能环保领域的应用探索，开发一批产业应用核心技术，促进我国节能环保行业更好地发展。 /p

11月24-25日在重庆召开的第五届中国石墨产业发展研讨会暨2016年石墨专业委员会年会上，代表围绕石墨产业发展的热点、前沿问题进行探讨交流，从新的机遇和挑战中寻求新“希望”，谋求新发展。中国非金属矿工业协会专职副会长唐靖炎表示，要加强顶层设计，组织编制“十三五”中国石墨产业规划，统筹行业发展，提高发展的有效性和引导性。 据了解，我国石墨矿资源丰富，产量和消费量位居世界第一。目前，我国石墨产业正处于转型升级的关键时期，天然石墨及其材料广泛应用于航空航天、新能源、医学、信息技术、高端装备制造、节能环保、核工业、新材料等新兴产业，成为支撑未来高新技术发展的重要战略资源。随着锂离子电池，特别是动力电池等新能源行业的快速发展，以及石墨烯系列新材料的研发与进入产业化，石墨受到越来越多的各方关注。但同时随着全球经济的下滑，导致石墨在传统应用领域的需求不断减少，呈现出冰火两重天的状况。 作为我国石墨领域的高层次、高水平研讨会议，与会专家、代表围绕石墨生产技木、石墨新材料尤其是石墨烯的发展、新能源及环保领域炭石墨材料的进展等问题进行交流互动。 中国非金属矿工业协会专职副会长唐靖炎表示，石墨是我国重要的战略性资源，素有“黑金子”之称。当前，我国石墨产业正面临热与冷下的机遇与挑战，一方面，石墨作为国防、军工等现代工业及新技术产业发展中不可或缺的战略资源，已成为国际国内、政府、金融和企业家关注的热点；一方面受传统产业的影响，石墨产业产能过剩，开工不足，价格下滑，经受着寒冬的考验。他建议石墨产业要转变展展方式，加快创新步伐，围绕发展高技术含量、高应用价值、高市场收益产品与产业目标，推动产业由原料加工向材料深加工、产品低端生产向中高端制造、高耗加工向绿色加工转型升级。要加强顶层设计，组织编制“十三五”中国石墨产业规划，统筹行业发展，提高发展的有效性和引导性。

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 根据国家标准化管理委员会下达的首批石墨烯标准制修订计划以及工作安排，2019年将完成国家标准《纳米技术& nbsp 石墨烯材料层数的测定& nbsp 光学对比度法》（国家标准计划号：20140889-T-491）的制订工作。为确保该项工作的顺利进行，现成立《纳米技术& nbsp 石墨烯材料层数的测定& nbsp 光学对比度法》国家标准制定工作组，牵头单位为泰州巨纳新能源有限公司和东南大学。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 为确保标准制修订工作的顺利进行，在标准制修订过程中开展必要的技术研讨、关键技术研究及对比实验验证等工作，现面向石墨烯上下游相关单位征集标准制定工作组成员，共同做好此国家标准。对于积极参加标准制定相关工作的单位，不仅可以及时了解到石墨烯材料层数测定技术的最新动态，还可反馈贵单位对标准制修订的意见，体现对标准的优先话语权。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 报名时间为2018年11月22日-2019年1月25日，目前已有东南大学、北京化工大学、中科院半导体研究所、上海交通大学、北京理化分析测试中心、北京欧波同光学技术有限公司等19家高校科研院所及公司成为光学法国标编制比对单位。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 报名链接： a href=" http://ldmas2018.mikecrm.com/oc77TYt" target=" _self" style=" text-decoration: underline color: rgb(0, 176, 240) " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 光学法国标项目编制比对报名表 /span /a 。 /p

仪器信息网讯 每年年底，《自然-方法》(Nature Methods)都会对过去一年中推动生物学发展的技术方法做出回顾与总结，由此评选出当年最受瞩目、影响力最大的技术。2012年，定向蛋白质组学技术(targeted proteomics)荣膺《自然-方法》年度生命科学技术。 　　定向蛋白质组学是基于质谱技术快速检测目标蛋白的技术，该技术具有灵敏度高、重复性好的特点。基于质谱的鸟枪蛋白质组学研究是将蛋白质酶解，片段化成肽片段进行质谱分析。 　　在典型的蛋白质分析中，蛋白混合物消化成肽段，并在质谱上进行分析，可以检测到样品中所有蛋白，这种分析工作量极大，而且需要大量资源。对于大多数研究人员来说，他们不需要获得所有蛋白的数据，只是想对少数特定蛋白进行定性定量。 　　定向蛋白质组学方法的建立为广大的研究人员带来了福音，它提供了更高的灵敏度和分析速度，可以在质谱分析中准确鉴定并定量某种蛋白。 　　定向蛋白质组学分析技术并不是非常新的尖端技术，它其实可以追溯到上个世纪60年代出现的放射免疫分析技术。这种技术依赖于抗体试剂和Western blot实验，但定向蛋白组学在最近几年获得了高速发展，在《Nature Methods》整理的2009年最值得关注的技术中，定向蛋白质组学就是其中之一。而在Ruedi Aebersold, Paola Picotti 和 Bernd Bodenmiller 发表的“Proteomics meets the scientific method”文章中，让我们看到了易于操作的定向质谱实验替代繁重的Western blot实验的可能性。 　　在荧光显微镜，流式细胞仪，蛋白质芯片等现代技术中，抗体检测法仍然是非常重要的，但依赖于抗体的蛋白质检测存在着很多缺陷，最大的缺陷就是抗体的可用性和质量差别很大。而进行蛋白质组学研究的另外一种技术便是依赖于质谱，该方法可以特异分析感兴趣的目标蛋白。 　　在最成熟的定向分析技术，即选择反应监控技术(selected reaction monitoring，SRM)中，三重四极杆质谱仪(triple quadrupole)技术能够检测到特定肽段，帮助研究人员高灵敏度，可重复的定量监测这些蛋白。 　　质谱方法比起依赖于抗体检测的优势在于开发出一个新的定向分析方法要比生产一个新的抗体要快得多，并减少了检测特异性的问题。虽然抗体在低丰度蛋白检测的灵敏性方面具有一定优势，但是质谱技术的一个明显优势就是能在一次实验中准确地检测多种蛋白。 　　以质谱为基础的定向蛋白质组学研究已经开展了相当长的时间，在上世纪70年代，三重四极杆质谱仪就已经出现，并在上世纪80年代发表的文章中首次论证了它可以用来检测肽段。在过去的几年间，定向质谱技术的应用范围迅速扩大，质谱为基础的蛋白质组学一直被认为应用过于复杂，但定向质谱实验易于操作，一旦建立了可靠的蛋白分析方法，数据分析就简单的多。 　　尽管Nature Methods主要关注基础生物学的研究方法，但也不能忽视定向质谱方法在临床蛋白质组学研究中的重要性，未来，这种技术必然会在疾病候选生物标记物验证等临床研究方面有更广泛的应用。 撰稿：裴熙详

多层石墨烯及其堆垛顺序具有特的物理特性及全新的工程应用，可以将材料从金属调控为半导体甚至具有超导特性。石墨烯薄膜的性质相对于层数及其晶体堆垛顺序有很大变化。例如，单层石墨烯表现出高的载流子迁移率，对于超高速晶体管尤为重要。相比之下，AB堆垛的双层或菱面体堆垛的多层石墨烯在横向电场中显示出可调的带隙，从而产生了高效的电子和光子学器件。此外，有趣的量子霍尔效应现象也主要取决于其层数和堆垛顺序。因此，对于大面积制备而言，能够控制石墨烯的层数以及晶体堆垛顺序是非常重要的。 近日，韩国基础科学研究所（IBS）Young Hee Lee教授和釜山国立大学Se-Young Jeong教授在期刊《Nature Nanotechnology》以“Layer-controlled single-crystalline graphene film with stacking order via Cu-Si alloy formation” 为题报道了采用化学气相沉积的方法来实现大面积层数及堆垛方式可控的石墨烯薄膜的突破性工作。为石墨烯和其他2D材料层数的可控生长迈出了非常重要的一步。 文章提出了一种基于扩散至升华（DTS）的生长理论，实现层数可控生长的关键是在铜箔基底上先可控生长SiC合金，具体来讲（如图1所示），先在CVD石英腔室内原位形成Cu-Si合金，之后将CH4气体引入反应室并催化成C自由基，形成SiC，随后温度升高至1075℃以分解Si-C键，由于蒸气压使Si原子升华。因此，C原子被留下来形成多层石墨烯晶种，在升华过程中，这些晶种横向扩展到岛中（步骤III），并扩展致边缘。在给定的Si含量下注入不同浓度稀释的CH4气体，可以控制Si-Cu合金中石墨烯的层数。图1e显示了在步骤II中引入不同稀释浓度CH4气体时C含量的SIMS曲线，在较高CH4气体浓度下，C原子更深地扩散到Cu-Si薄膜中，形成较厚的SiC层，然后生长较厚的石墨烯薄膜。由此实现可控的调节超低限CH4浓度引入C原子以形成SiC层，在Si升华后以晶圆尺寸生长1-4层石墨烯晶体。 　　图1. 不同生长过程中的光学显微镜结果，生长示意图及XPS能谱和不同生长步骤中Si和C含量的二次离子质谱SIMS曲线 随后，为了可视化堆垛顺序并揭示晶体取向的特电子结构，进行了nano-ARPES光谱表征，系统研究了单层，双层，三层和四层石墨烯的能带结构（图2a-d），随着石墨烯层数增加，上移的费米能逐渐下移。另外，分别根据G和2D峰之间的IG/I2D强度比和拉曼光谱二维模式的线形来确定石墨烯薄膜的层数和堆垛顺序。IG/I2D随着层数增加而增加（从0.25到1.5），并且2D峰发生红移（从2676 cm-1到2699 cm-1）。后，双层、三层和四层石墨烯的堆垛顺序通过双栅器件的电学测量得到了确认（图2i-k）。在双层石墨烯（图2i）中，沟道电阻（在电荷中性点处）在高位移场下达到大值，从而允许使用垂直偶电场实现带隙可调性。在三层器件上进行了类似的测量（图2j），与AB堆垛的双层相反，由于导带和价带之间的重叠，沟道电阻随着位移增加而减小，这可以通过改变电场来控制，从而确认了无带隙的ABA-三层石墨烯。在四层器件中也观察到了类似的带隙调制（图2k），确认了ABCA堆垛顺序。 图2. 不同层数的石墨烯样品的nano-ARPES,拉曼及电学输运表征 本文通过在Cu衬底表面上使用SiC合金实现了可控的多层石墨烯，其厚度达到了四层，并具有确定的晶体堆垛顺序。略显遗憾的是本文并没有对制备的不同层数的石墨烯样品进行电导率，载流子浓度及载流子迁移率的标准测试。值得指出的是，近期，西班牙Das-Nano公司基于THz-TDS技术研发推出了一款可以实现大面积（8英寸wafer）石墨烯和其他二维材料100%全区域无损非接触快速电学测量系统-ONYX。ONYX采用一体化的反射式太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）弥补了传统接触测量方法（如四探针法- Four-probe Method，范德堡法-Van Der Pauw和电阻层析成像法-Electrical Resistance Tomography）及显微方法（原子力显微镜-AFM, 共聚焦拉曼-Raman，扫描电子显微镜-SEM以及透射电子显微镜-TEM）之间的不足和空白。ONYX可以快速测量从0.5 mm2到~m2的石墨烯及其他二维材料的电学特性，为科研和工业化提供了一种颠覆性的检测手段。ONYX主要功能：→ 直流电导率（σDC）→ 载流子迁移率, μdrift→ 直流电阻率, RDC→ 载流子浓度, Ns→ 载流子散射时间，τsc→ 表面均匀性ONYX应用方向：石墨烯光伏薄膜材料半导体薄膜电子器件PEDOT钨纳米线GaN颗粒Ag 纳米线

引言石墨烯是由sp2杂化的单层碳原子构成的蜂窝状二维原子晶体材料，是古老的碳材料家族的新成员，拥有无与伦比的物理化学性质。石墨烯有两种基本形态。一种是石墨烯粉体，通常由数十纳米到数十微米的微小石墨烯片堆积而成；另一种是通过碳源高温裂解反应生成的连续态石墨烯薄膜。存在形态不同，性质差异很大，用途也完全不同。石墨烯纤维是近年来发展起来的新的石墨烯形态，通常从氧化石墨烯粉体出发，经有序组装、 化学还原、高温处理等工艺制得。石墨烯纤维的结构比较复杂，作为初始结构单元的氧化石墨烯微片通过化学还原和高温化学反应形成准连续的石墨烯薄膜，其片层间的堆垛结构依处理工艺差别很大。从堆垛结构上看，石墨烯纤维接近传统石墨；而从宏观形态上看，它类似于碳纤维。石墨烯粉体通过与高分子复合，可在一定程度上改善高分子材料的力学、电学乃至热学性能，派生出一类石墨烯/高分子复合材料。 理论上讲，高温外延生长而成的连续态单晶石墨烯薄膜最能体现石墨烯的本征优异特性，如超高载流子迁移率、极高的热导率以及超强的力学强度等。这种连续态石墨烯薄膜通常生长在铜、镍等金属表面，金属的作用是降低碳源裂解温度和石墨化温度。金属材料具有很好的导电性和导热性，原子级厚度的石墨烯的优良导电、导热特性会淹没在宏观厚度的金属生长衬底贡献的电子汪洋大海背景中。因此，在实际应用中，需要将石墨烯从金属生长衬底表面剥离下来，转移到目标支撑衬底上。实现单原子层厚度的石墨烯剥离转移无疑是一个巨大的技术挑战，从某种意义上讲，决定着连续态石墨烯薄膜的发展未来，这是制约石墨烯薄膜应用的瓶颈所在。超级蒙烯材料是本研究团队提出的新概念，为破解连续态石墨烯薄膜应用的剥离转移瓶颈提供了一个全新的解决方案。通过高温生长过程和巧妙的工艺设计，在传统材料表面沉积连续态石墨烯薄膜。借助高性能石墨烯“蒙皮”，赋予传统材料全新的功能，让原子级厚度的石墨烯薄膜搭乘传统材料载体走进市场(图1)。不同于石墨烯涂料在材料表面的物理涂敷，这种直接生长的连续态石墨烯“蒙皮”最大程度地保存了石墨烯的本征特性，是普通石墨烯微片材料所无法比拟的。这也是冠之以“超级”的原因所在。需要强调指出的是，超级蒙烯材料体现了连续态石墨烯薄膜应用的新理念，借助传统材料衬底，解决了超薄石墨烯薄膜的无法自支撑问题，同时回避了金属衬底上薄膜生长的剥离转移难题。超级蒙烯材料是一类新型石墨烯复合材料，通过高温工艺实现石墨烯与传统材料的直接复合。例如，利用特殊设计的化学气相沉积工艺，在广泛应用的传统玻璃纤维表面生长石墨烯，即可得到新型“蒙烯玻璃纤维”材料。石墨烯蒙皮的存在赋予蒙烯玻璃纤维优良的导电性和导热性，为传统玻璃纤维带来全新的性能。尤其重要的是，纳米级到亚微米厚度的石墨烯蒙皮基本上不改变衬底材料的宏观形态，因此超级蒙烯材料具有工艺兼容性强的巨大优势，在不改变现役工程材料加工工艺的前提下发挥其独特的功能，可借力现役工程材料的广阔应用市场，将石墨烯薄膜推向实际应用。超级蒙烯材料是石墨烯家族的新成员，拥有丰富的内涵和广阔的发展空间。生长衬底材料的选择是发展超级蒙烯材料的关键所在。原理上讲，衬底材料需要耐受石墨烯生长所需要的高温条件，确保其本征特性不发生显著的改变。另一个重要条件是，能够找到可行的工艺路线实现石墨烯的直接生长。高品质连续态石墨烯的可控生长是实现其优异性能的重要前提。此外，衬底材料在工程领域已经获得广泛应用，以便为超级蒙烯材料提供更多可选择的应用场景。超级蒙烯材料可分为蒙烯非金属材料和蒙烯金属材料(图2)。蒙烯玻璃纤维是典型的蒙烯非金属材料。蒙烯氧化铝、蒙烯碳化硅以及蒙烯氮化硼等都是蒙烯非金属材料家族的重要成员。蒙烯金属材料通过在金属衬底上生长石墨烯获得，包括蒙烯铜、蒙烯镍、蒙烯铟、蒙烯锡、蒙烯钢等诸多种类。按照衬底材料的形态分类，超级蒙烯材料又可以细分为蒙烯箔材、蒙烯纤维、蒙烯粉体以及蒙烯泡沫等多种形态，构成琳琅满目的超级蒙烯材料家族。不同形态的超级蒙烯材料进行后加工处理或者与其他材料复合，将进一步丰富超级蒙烯材料家族的内涵。蒙烯玻璃纤维蒙烯玻璃纤维是超级蒙烯材料概念的第一个具体实例。通过高温化学气相沉积过程，在传统玻璃纤维表面生长连续态石墨烯薄膜，实现石墨烯与玻璃纤维的有机结合，是一类全新的石墨烯/玻璃纤维复合材料。玻璃纤维是广泛应用的传统工程材料，2019 年全球玻璃纤维产量约800万吨。我国是玻璃纤维生产大国，全球占比达65%以上。玻璃纤维兼具轻质、高强、耐高温、柔性等诸多优异性能，是国防军工、航空航天、风能发电、工程建筑等领域的重要基材，如飞机机身、火箭和导弹外壳、雷达罩等都采用玻璃纤维作为主要的复合材料增强体。蒙烯玻璃纤维继承了玻璃纤维的本征特性，同时赋予其高导电、高导热等新的性能(图3)。原子级厚度的石墨烯薄膜可搭乘传统玻璃纤维载体，走向实际应用，从而开辟出石墨烯材料应用的新天地。制备蒙烯玻璃纤维材料存在着诸多技术挑战。通常情况下，石墨烯的CVD生长会选择以铜、镍为代表的金属衬底。金属衬底具有催化活性，对于碳源前驱体的裂解、石墨烯成核、外延生长等基元过程有着良好的促进作用，有助于提升石墨烯的结晶质量、生长速率以及层数可控性。然而，玻璃纤维是非金属材料，催化活性很弱，因此碳源前驱体的裂解过程主要是热裂解。为了确保碳源前驱体充分裂解，CVD生长温度通常很高，这就要求玻璃纤维材料具有优异的高温稳定性。事实上，除石英纤维以外，普通玻璃纤维材料很难满足这 一苛刻的生长条件。在由C―O四面体骨架构成的非晶态玻璃纤维表面，活性碳物种的扩散势垒非常高，导致生长的石墨烯畴区尺寸很小，且取向不可控。通常情况下，玻璃纤维上生长的石墨烯 存在畴区尺寸小、缺陷密度高、层数可控性差、均匀性差、生长速率慢等问题。此外，与平面衬底上的CVD生长不同，玻璃纤维丝束及其织物的特殊结构形态也给传质和传热过程设计带来新的挑战。2013年以来，本研究团队一直致力于传统玻璃表面石墨烯的生长方法研究，发展了一系列创新性的高质量石墨烯生长方法，材料体系从平面玻璃到石英光纤，进一步拓展到玻璃(石英)纤维。针对玻璃纤维上的石墨烯生长问题，通过空间限域生长、生长助剂引入、碳源前驱体设计、衬底表面调控以及流场设计等手段，打破了玻璃纤维衬底在碳源裂解、石墨烯成核、层数控制、结晶质量以及均匀性等方面的局限性，实现了高质量蒙烯玻璃纤维丝束和织物的可控制备(图4)。例如，针对玻璃纤维织物表面上石墨烯大面积生长均匀性差的难题，发明了“互补性碳源生长法”，通过不同裂解温度的混合碳源设计，调控活性碳物种沿流场方向的浓度分布，制备出大面积均匀的蒙烯玻璃纤维织物。 蒙烯玻璃纤维的低成本和规模化制备是走向实际应用的前提。在放大的CVD生长系统中，大腔体内流场与热场的均匀性控制难度大幅增加，直接影响着石墨烯在玻璃纤维表面的生长质量、速 率、均匀性等关键指标，最终制约着材料生产的品质、产能与成本。在利用静态CVD系统制备大面积蒙烯玻璃纤维织物的过程中，活性碳物种沿流场方向的不均匀分布直接导致石墨烯的生长均匀度下降，进而造成生产良率的降低。同时，由于玻璃纤维的催化惰性，石墨烯的生长速率通常很低，因此成为制约产能提升和生产成本降低的关键因素。利用玻璃纤维织物轻质、柔性、高强度的特点，本团队设计了动态“卷对卷”规模化CVD生长系统，并对气体流场、生长区热场、温度控制系统、进料控制系统等关键模块进行了系统集成，研制出第一代蒙烯玻璃纤维织物规模化制备装备。在该系统中，玻璃纤维织物以均匀的速度连续传入CVD腔室内完成石墨烯的高温沉积生长，最大可能地保障织物表面不同位置都经历相同的流场与热场环境，从而大幅提升生长均匀性。目前，本团队已成功突破蒙烯玻璃纤维织物的放量制备工艺，建成了年产能10000平方米的中试生产示范线(图5)。需要指出的是，目前蒙烯玻璃纤维的生产成本仍然较高，尺寸、良率受限于装备制造技术与材料制备工艺，这也是蒙烯玻璃纤维材料制备领域的未来攻关重点。图5 蒙烯玻璃纤维织物的规模化制备。(a–c)动态“卷对卷”规模化制备系统；(d)蒙烯玻璃纤维织物实物照片Fig 5 Mass production of graphene-skinned glass fiber fabric. (a–c) Roll to roll growth system (d) Photographs of graphene-skinned glass fiber fabric.与物理涂覆方法制备的石墨烯/玻璃纤维复合材料不同，高温生长工艺既保证了石墨烯薄膜的连续性和高性能，又保证了石墨烯与玻璃纤维之间的强附着力。通过调控石墨烯的厚度，蒙烯玻璃纤维的面电阻可在1–5000Ω∙sq−1范围内调控。蒙烯玻璃纤维完美地结合了石墨烯和玻璃纤维的优良特性，是一种全新的柔性导电导热材料，有望成为电热转换领域的杀手锏级材料。研究表明，蒙烯玻 璃纤维织物拥有极为出色的电加热性能，在~9.3 Wꞏcm−2功率密度下，升温速率达~190 °C∙s−1，且达到饱和温度后的温度不均匀性 3% (20 cm × 15 cm)(图6) 。蒙烯玻璃纤维还具有优异的红外辐射性能，表现出良好的灰体辐射特性，红外发射率高达~0.92 35,36。与铁铬合金、镍铬合金等传统电加热材料相比，蒙烯玻璃纤维拥有超高的电热转换效率，实测数据高~94%。因此，作为新一代轻质、柔性的电热转换材料，蒙烯玻璃纤维在电加热、辐射热管理等领域拥有巨大的应用潜力。众所周知，高性能复合材料大量用于空天飞行器、武器装备、风机叶片等制造过程中，玻璃纤维则是其中重要的构成单元，已经形成成熟的复材加工和成型工艺。原理上讲，纳米级到亚微米级厚度的石墨烯薄膜的引入基本不会改变相关工艺流程，也不会影响玻璃纤维制件的内部结构与力学性能(图7)。因此，蒙烯玻璃纤维材料的一大优势是其良好的体系兼容性和工艺兼容性，这是其走向实际应用的巨大推力。 蒙烯玻璃纤维材料在飞行器的防除冰领域取得了巨大成功，显示出不可替代的独特优势。飞行器高速飞行过程中，机翼前缘、发动机进气道等关键位置的结冰一直是困扰航空领域的难题。目前，金属基电加热技术是实现防除冰的有效手段，其防冰效果好，除冰效率高，性能稳定。但是，传统金属基电热材料面临着高功耗、低柔性、不耐极端环境等问题。同时，基于飞行器轻量化的发展趋势，复合材料的使用比例不断攀升，玻璃纤维作为重要的复合材料基材在飞行器中已得到大量应用，随之而来的是金属基电加热防除冰材料与复合材料之间的结合强度和稳定性问题。蒙烯玻璃纤维的问世完美地解决了这一技术难题，尤其其良好的透波性能使其成为特种应用领域的杀手锏材料。蒙烯玻璃纤维是第一个实现实际应用的超级蒙烯材料，展示了超级蒙烯材料的巨大理论价值和广阔应用前景，为原子级厚度的石墨烯走向应用开辟了全新的路径，也为新型石墨烯基复合材料设计提供了新的思路。展望正如前述蒙烯玻璃纤维的具体案例，我们可以通过巧妙的载体选择和材料设计，架起连接理想的单层石墨烯基元到实用宏观材料的桥梁，实现石墨烯的优异特性向宏观实用场景的有效传递。在超级蒙烯材料设计和制备过程中，衬底材料的选择和预处理、石墨烯的可控生长、石墨烯—衬底的界面调控、后加工成型以及批量制备工艺与装备等极为关键，也是超级蒙烯材料走向应用的基础。由于超级蒙烯材料的多样性和复杂的电子声子耦合，这一全新的复合材料领域有可能孕育新的物理发现，催生新的技术创新，甚至引发新的产业革命。支撑衬底的选择是超级蒙烯材料设计的关键所在，决定着制备可行性、材料性能以及应用前景。支撑衬底可分为非金属和金属两大类别。上文详细介绍了蒙烯玻璃(石英)纤维材料。实际上，很多常见的非金属材料(如氧化铝、氮化硼、碳化硅等)表面，都有直接高温生长石墨烯的研究报道，这说明以这些材料为衬底的超级蒙烯材料制备具有可行性。尤其是在蓝宝石(α-Al2O3)表面，通过甚高温方法生长得到的石墨烯薄膜质量很高，层数和结构的控制性也很好；而氧化铝纤维作为一类新型氧化物纤维材料，具有优异的力学强度、耐高温、机械柔性、化学稳定性以及绝缘性，已逐渐成为新材料领域的翘楚。在超级蒙烯材料设计理念指导下诞生的蒙烯氧化铝纤维集石墨烯和氧化铝纤维的优异特性于一身，有望成为新一代轻质高强、高导电、高导热复合材料。大多数过渡金属因具有部分填充的d轨道，或者能形成可吸附和活化反应介质的中间产物而表现出良好的催化活性，是高品质石墨烯生长的良好衬底。而以铜、铝、铟、锡等金属材料为代表的导电、导热材料，被广泛应用于国民经济和国防军工的各个领域，例如输配电网络、雷达微波管、电磁屏蔽、电子芯片封装等。随着这些领域的迅速发展，对金属材料提出了更高的要求，具有轻质、高强、高导电、高导热、耐腐蚀、抗电磁屏蔽 等特性的金属基复合材料成为众多高端装备的亟需材料。已有研究表明，石墨烯蒙皮的引入可显著改善金属材料的性能。例如，以铜箔、铜丝、铜网、铜粉等不同形态的金属铜材作为支撑衬底生长石墨烯，再经过热压复合等工艺处理，可得到具有高导电、高导热、高载流量的蒙烯铜材料；利用化学气相沉积方法在铜、铝表面生长少层石墨烯或垂直石墨烯纳米片，可显著提升金属材料的电磁屏蔽效能，增强抗腐蚀能力。这种全新的金属基蒙烯材料有望促进飞行器电缆、电机、电触头、隐身涂层基板、雷达微波行波管等结构功能部件的升级换代，在飞行器减重、防雷击以及电磁对抗、电磁防护领域具有广阔的应用前景。在超级蒙烯材料中，作为支撑衬底的体相材料仍发挥着重要作用，石墨烯通过蒙皮或以复合 界面的形式介入其中，带来新的功能(如导电、导热增强等)。由于石墨烯“蒙皮”很薄，从单原子层到亚微米厚度可调，而支撑衬底材料的特征尺寸通常都在微米到毫米量级，因此如何有效提高石墨烯的相对比重、构筑连续的石墨烯网络、调控石墨烯与衬底材料的耦合强度，以最大化地发挥石墨烯的性能，成为超级蒙烯材料设计与制备的关键科学问题。后加工工艺可为超级蒙烯材料的微观结构与性能改善提供新的调控空间。各种蒙烯金属材料基元的进一步复合成型可制造出丰富的界面结构。可以想象，在此类新型复合材料体系中，石墨烯会带来更多的导电、导热通道，而金属为石墨烯提供更多的载流子。需指出的是，高温生长过程、后加工工艺以及石墨烯与金属衬底的相互作用可能导致金属衬底的体相结构重构，进而带来新的调控空间或需要解决的技术挑战。此外，对于超级蒙烯纤维材料来说，不同的编制结构和图案化设计也会影响其力学、热学和电磁学性能。近年来，粉末冶金、增材制造、复材加工成型等相关领域的快速技术进步也为超级蒙烯材料的发展提供了良好的技术依托。应当指出的是，超级蒙烯材料研究尚处于起步阶段，在材料设计、高温生长、物性测量和应用探索方面空间巨大。例如，蒙烯粉体材料比表面积大，易于加工，有利于发挥石墨烯的优异性能，但高温生长过程面临着难以分散、易于团聚、不易工程放大等难题。对蒙烯金属粉体制备来说尤其如此，有效控制高温生长过程中的金属粉体团聚和碳源前驱体传质至关重要。针对这些问题，人们发展了鼓泡化学气相沉积生长方法，但生长效率和粉体质量的控制仍有很大的提升空间。对于蒙烯非金属材料，由于缺乏催化活性，通常石墨烯的质量和生长速率较低。为解决这些问题，人们发展了限域空间法、助催化法、甚高温法等特殊生长方法，与金属表面催化生长的石墨烯相比仍有显著的差距。此外，目前所报道的蒙烯金属仅限于铜和铝，其导电性和导热性提升的物理机制尚不清晰，石墨烯与金属界面结构的调控方法 和规模化制备工艺还远未成熟。在应用探索方面，石墨烯的导热性和导电性为人们所青睐，超级蒙烯材料的问世有望促进电力电缆、信号传输、导热散热等结构功能器件的升级换代。需要关注的是，具体应用场景下超级蒙烯材料的短板，如高温生长工艺带来的载体结构和力学性能变化等。有针对性地发展超级蒙烯材料的生长方法、规模化工艺和装备是这一新兴领域发展的关键。毋庸置疑，这一新概念材料的提出将有力推动石墨烯与传统材料的融合，为破解连续态石墨烯薄膜材料的实用化开辟新路，为加快石墨烯材料的产业落地提供新的动力。

发光二极管点亮光明前程 发光二极管的英文简称为LED，通常它由镓与砷、磷的化合物制成。在接通电源后，其中的电子与空穴复合时能辐射出可见光。人们发现，磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点包括工作电压很低 工作电流很小 抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长 通过调制电流强弱可以方便地调制发光的强弱。基于这些特点，发光二极管在许多光电控制设备中用作光源，在电子设备中用作信号显示器。 　　冷却可提高发光二极管性能 　　在大力提倡节约能源的今天，发光二极管作为照明灯越来越受到人们的青睐，其市场在不断扩大。据介绍，上海世博园区内使用了10.5亿颗发光二极管灯泡，世博场馆室内照明光源中约有80%采用发光二极管作为照明光源，相较于普通白炽灯省电达90%左右。专家表示，2010年中国发光二极管销售产值将突破1500亿元人民币，相当于2008年的两倍。 　　面对广阔的市场需求，人们在努力提高发光二极管照明灯的性能。研究发现，虽然发光二极管工作电压和电流很低，但是它仍然存在着发热问题。发光二极管的温度每降低10华氏度，其发光部件的寿命就能增加一倍，因此冷却对提高发光二极管照明灯的性能十分重要。 　　新石墨泡沫冷却材料闪亮登场 　　美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)材料科学和技术部研究人员詹姆斯克勒特发明了一项称为石墨发泡的技术。利用该技术，人们能够获得石墨泡沫(graphite foam)材料。用石墨泡沫帮助冷却发光二极管照明灯，可以更有效地控制其发热，从而延长其寿命并降低价格。此举有望扩大发光二极管照明灯的用户群。 　　克勒特说：“在(石墨发泡)技术降低发光二极管照明系统、稳定并延长其寿命的同时，该技术能够取代普通照明灯设备的更换和维护开支，每年为城市节约数百万美元。”他希望石墨发泡技术能够为顾客节约开支。 　　与传统的利用金属铜和金属铝等散热材料相比，新技术制成的石墨泡沫具有多种优点，比如，石墨泡沫导热性高、重量轻和加工容易。这些特点使得石墨泡沫材料拥有更好的设计适应性，成为更轻、更廉价和更高效的发光二极管照明灯冷却材料。 　　据悉，石墨泡沫具有的特殊石墨晶体结构是形成其良好导热性的关键。晶体结构的“骨架”中充满了气穴，与石墨相比，石墨泡沫的密度只有石墨的25%，因此其重量较轻。石墨泡沫特有的纽带网能够快速地将热源的热量散发掉，因而它是一种理想的冷却材料。 　　作为首推的节能照明用品，发光二极管照明灯因其耗能低、紧凑和平均寿命长的特点得到了越来越多的利用，其在街道照明和停车场照明等方面的应用需求也在不断提高。 　　LED北美公司专门为在城市、商业和工业领域的应用提供发光二极管照明灯产品。为不断提高发光二极管照明灯的性能，确保自己在与对手长期的竞争中处于有利地位，日前公司与橡树岭国家实验室签订了石墨发泡技术合作协议，获得了该技术的使用权。公司准备用该技术生产石墨泡沫，并用石墨泡沫以被动式冷却方式帮助发光二极管照明灯部件散热。 　　LED北美公司设立在橡树岭国家实验室名为“技术2020”的实验孵化基地内，公司和实验室建立起了良好的关系。公司创始人之一安德鲁威廉表示，与橡树岭国家实验室为邻，公司与实验室的研究人员可以更方便地密切合作，以完善石墨泡沫材料与发光二极管照明灯。

【科学背景】随着低维材料研究的深入，石墨烯，尤其是多层石墨烯结构，因其独特的电子特性和潜在应用，引起了广泛关注。石墨烯作为一种二维材料，展现出许多新奇的物理现象，包括超导性、磁性和独特的电学性质。然而，这些特性背后的物理机制尚未完全理解，特别是在强关联电子系统中，多种基态之间的竞争和相互作用仍然是一个挑战。在石墨烯的相关低能电子物理学中，自旋和谷同位旋空间的近似SU(4)对称性允许存在大量几乎简并能量的破缺对称相，从而导致了多种紧密竞争的基态。在实际实验中，这种简并性可以通过自发破缺或哈密顿量中的弱对称破缺项来解除。这些项可能包括原子尺度的自旋–轨道耦合以及由粒子间相互作用引起的对称性破缺，例如谷间和谷内散射的差异。然而，目前对于这些破缺项的微观参数的强度，无法从第一原理精确确定，因此实验确定基态成为了约束微观哈密顿量的主要方法。为了应对这些挑战，科学家们转向了结构更稳定且可重复性更高的菱形多层石墨烯。与莫尔系统相比，菱形多层石墨烯因其结构稳定性，可以实现精确测量与多体理论之间的具体联系。在这种材料中，实验已经揭示了包括向列相、自旋和轨道磁体以及超导体在内的多种对称破缺态。然而，自旋在这些相中的具体作用，特别是在超导相中的作用，仍未得到充分解释。例如，在六方氮化硼包覆的伯纳尔双层石墨烯中，自旋极化超导态的出现需要一定阈值的平面内磁场，而在零磁场下通过WSe2基底支持的双层石墨烯中，自旋–谷锁定超导性也可被诱导。为了解决这些问题，美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校Andrea F. Young教授团队结合了全局电荷感测和局部磁力测量，重点研究了菱形三层石墨烯中的同位旋铁磁相。通过精确控制总电荷载流子密度和施加的位移场，利用低温晶体管放大器和扫描超导量子干涉设备（SQUID），作者能够分别测量逆压缩率和局部磁场的变化。这些实验手段使我们能够深入探讨在材料掺杂通过零带隙奇异点时，同位旋铁磁相的性质及其背后的物理机制。本研究通过精确的实验测量，揭示了菱形多层石墨烯中同位旋铁磁相和超导相的微观机制，特别是自旋–轨道耦合在这些相中的作用。【科学图文】图1 | 在空穴掺杂的四分之一金属体系中，三层菱方石墨烯的热力学。图2 | 谷间相干性IVC四分之一金属。图3 | 自旋-轨道耦合效应。图4 | 电子掺杂的谷间相干性。【科学启迪】本文揭示了菱形多层石墨烯中的谷间相干性和超导性之间复杂而深刻的关系。研究表明，即使在缺乏声子介导的情况下，谷间相干性的涨落也可能引发电子间的吸引相互作用，从而促进超导性的出现。这一发现不仅拓展了我们对超导性形成机制的理解，还提示了探索新型超导体的潜力，这些超导体不受传统限制，可能在更广泛的温度和掺杂范围内实现。此外，研究中还观察到自旋–轨道耦合在控制石墨烯多层中自旋三重态超导性方面的关键作用，尤其是通过选择Cooper对的自旋方向和禁止特定相的形成。这些发现不仅有助于理解石墨烯及其异质结构中的复杂电子行为，还为设计和制造新型量子材料提供了重要的指导思路。原文详情：Arp, T., Sheekey, O., Zhou, H. et al. Intervalley coherence and intrinsic spin–orbit coupling in rhombohedral trilayer graphene. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02560-7

Exploring Interfacial Graphene Oxide Reduction by Liquid Metals: Application in Selective Biosensing布鲁克纳米表面仪器部 李勇君 博士自室温和近室温液态金属（LMs）出现以来，此类材料因其软流体性质、高电子和热导率特性而受到研究者们越来越多的关注。其中，镓及其共晶合金因其低毒性和低蒸汽压等特性成为了LMs家族的典型代表之一，其可用于驱动表面化学反应，设计纳米结构等应用。到目前为止，众多研究者已经在 LMs 表面探索了多种反应，以生成基于层状材料和纳米粒子等不同涂层，但其表面在暴露于氧的情况下易形成天然氧化层而快速钝化，形成损害LMs导电性的绝缘表面，从而限制了在电化学和电子系统中的应用。因此，在LMs表面建立导电层，以实现高导电界面是对于需要电子、电荷转移这类应用的一种有前景和十分重要的策略。2021年11月，澳大利亚新南威尔士大学和中国香港大学的研究人员通过共晶镓（Ga）-铟（In）液态金属（EGaIn）与氧化石墨烯（GO）的界面相互作用成功实现了衬底上、单独GO的还原（rGO），合成了基于rGO与LM的核-壳复合材料(LM-rGO)。进一步，研究者通过布鲁克公司的原子力显微镜（AFM）、 峰值力扫描电化学显微镜（PF-SECM）、纳米红外光谱（nanoIR）、X射线能谱（EDS）等技术系统、详细地表征和讨论了LM对GO的还原能力，LM-rGO界面的相互作用，LM的界面传递，以及LM-rGO的电化学性能等，证实了LM−rGO是一种有效的功能材料和电极改性剂。最后，研究者基于LM-rGO开发出来的纸基电极实现了抗生物干扰的多巴胺选择性传感，展示了该低成本技术的商业应用前景。该项研究工作最终以“Exploring Interfacial Graphene Oxide Reduction by Liquid Metals: Application in Selective Biosensing”为题发表在2021年11月的《ACS NANO》杂志上。原文导读：研究背景：在过去十年中，自室温和近室温液态金属（LMs）出现以来，其在治疗学、微流体学、材料合成和催化等多个研究学科中得到了广泛的应用。作为LM家族的代表，镓及其共晶合金因其低毒性和低蒸汽压而倍受关注。具体而言，Ga基LMs的可调表面特性以及柔软、动态的界面使其成为合成多种材料的理想反应介质。基于Ga的LMs的另一个独特特性与Ga的不同氧化状态有关，这使得能够在电解或电流调节中调整氧化还原介导的合成路线。在界面上，LMs通常用于两种设想的合成路线：①作为柔软的超光滑模板，然后从表面剥离目标材料，②作为反应点和稳定载体，用于生成颗粒。将所有这些优点结合在一起，基于Ga的LMs可被视为有效的功能载体，为功能化合物的保留和生成提供了多功能界面。还原氧化石墨烯 (rGO) 是常用、流行的平面材料之一，其具有高导电性和跨平面的机械强度等特点。尽管研究者们已经提出了许多用于rGO 生产的方法，但开发一种高度可控的在室温下可行，并且对试剂的需求最少的还原方法仍然具有很大的前景。凭借其超反应性界面，可提供两种自由电子和离子，LMs 可能可以提供这样的反应介质，使 GO 薄膜和各种厚度的GO膜能够在室温下实现还原。一方面，LMs的动态可再生界面可用作重复使用的还原GO试剂，从而在无需任何外部输入（特别是施加电压）的情况下将成本和废物产生降至最低。 另一方面，LMs 的非极化表面可以轻松地从其表面捕获产生的 rGO，无需额外的化学步骤及可形成LM-rGO核-壳复合结构。在本研究中，研究者探索了共晶镓-铟 (EGaIn)和 GO 薄片之间的界面相互作用，考虑了不同的方法：包括利用 LMs 块体作为反应模板来还原GO 和利用LMs微颗粒作为的小型反应位点来合成复合材料。对于这两种情况，研究者都对 LMs表面的 rGO 进行了广泛的表征，以全面了解还原 rGO的特征和组成。 最后，研究者将合成的LM-rGO 微颗粒复合物用于标准电化学电池和电化学纸基分析装置 (ePAD) 中的传导表面改性修饰剂，用于在存在其他生物干扰的情况下对多巴胺 (DA) 进行选择性生物传感和检测。结果及讨论：为了研究LM对GO的界面影响，研究者考虑了不同的实验条件，包括使用LM块体作为软介质来还原不同厚度的GO膜、单独的膜，以及利用LM微液滴作为还原剂核心来生成LM-rGO核−壳复合结构。1. 衬底上GO膜的LM还原研究图1 a, 显示了衬底（Si/SiO2）上GO放入LM中还原的方法。通AFM表征还原前后的GO单层膜发现：LM处理后，单层膜膜厚从1.2 nm减小到了0.6 nm，膜厚的减小可归因于GO还原后变形的sp3碳结构和各种含氧官能团的去除。另外，通过对另外两个GO和rGO样品的AFM图像进行厚度统计分析，研究者进一步证实了暴露于LM后GO单层的厚度减少（图2，原文补充信息Figure S2）。在石墨结构的拉曼光谱中，D带（ID）和G带（IG）的强度之比被认为是石墨烯层内缺陷的指标，拉曼光谱显示LM还原前后的ID/IG从0.89变化到1.2，同时结合ID/IG拉曼成像（图1. d、e）可以进一步确认LM相对均匀地还原了GO单层。在这种方法中，LM大部分在设计的原电池中既是导体又是电解液。换句话说，导体本身可以提供一个充满离子和反应性金属位置的环境，而不是使用外部介质来移动负责电偶反应的电荷载体。LMs的柔软性还提供了液体块体和目标基板之间的有效界面接触，使所需的金属物种易于在表面上接触。图1. （a）基于衬底的GO的LM还原方法示意图 AFM图像：（b）暴露于LM前的GO样品和（c）LM反应后获得的rGO样品 （d）衬底上的GO和（e）浸入LM后获得rGO的拉曼光谱测量，D带和G带的表面拉曼成像及相应的ID/IG成像。图2. Si/SiO2衬底上不同样品的AFM成像和厚度分析：（a-b）LM还原前的GO样品和（c-d）LM还原后的rGO样品。2. 单独GO膜的LM还原研究为了进一步探索开发的基于LM的工艺能力，研究者探索了其独立薄膜GO的LM还原潜力。图3 a，显示了制备独立GO膜的LM还原方法。拉曼光谱证实了还原的有效性（图3c）。为了研究暴露于EGaIn前后表面官能团的分布，转移的厚rGO样品（~1.6 μm, 原文Figure S3-nanoIR表征的测量膜厚度）被进一步通过纳米红外光谱（nanoIR）进行了表征。如图3d所示，纳米红外成像是一种基于AFM的高空间分辨率化学成像和光谱研究技术，其中脉冲红外激光用于产生光热诱导共振和热膨胀。光吸收引起的膨胀激发了AFM悬臂梁的共振振荡，悬臂振荡的振幅正比于相应波长的红外光谱吸收。该技术被用于在高空间分辨率下评估GO和rGO样品中表面官能团的分布。从GO的纳米红外光谱（图3f）中可以看出，羰基峰1730 cm−1（C=O）具有很高的纳米红外振幅, 纳米红外成像也显示了GO表面上相对均匀的羰基分布。另外，GO样品的纳米红外光谱在1615 cm−1处也显示出明显的峰值，对应于GO中的C=C。同样，纳米红外光谱成像也显示了C=C分布的均匀性。GO和rGO之间的主要区别在于：rGO样品纳米红外光谱中羰基峰的消失（图3e），证实了厚GO样品的成功还原。纳米红外光谱中剩余的C=C振动（1593 cm−1），源自石墨烯环，在rGO纳米红外成像中也显示出高振幅和适当的分布（图2e）。最后，表征研究结果证实基于LM还原工艺也可以用于生成独立的rGO膜。图3.（a）单独GO的LM还原方法示意图 （b）单独GO膜的照片；（c）在暴露于LM之前和之后的GO薄膜拉曼光谱 （d）纳米红外光谱原理示意图 （e）浸入LM后获得rGO的纳米红外光谱、AFM表面形貌、偏转信号和C=C分布纳米红外成像 （f）浸入LM前GO的纳米红外光谱、AFM表面形貌、偏转信号和C=O、C=C分布纳米红外成像。3. LM-rGO复合材料的制备及表征为了探究GO还原过程的适用性，并在实际功能应用中了解LM微颗粒的还原能力，研究者进一步研究了在酸性GO悬浮液中通过超声波处理制备的LM-rGO复合材料。其合成过程的示意图如图4a所示。研究者通过透射电镜（TEM）证实并研究了LM-rGO核-壳结构，如图4b所示，球形LM颗粒被稳定的石墨片壳包裹，这表明粒子和LM颗粒表面的有效相互作用。另外，研究者也通过X射线能谱（EDS）完成了Ga， In，C，O元素的分析，EDS结果进一步证实了LM颗粒表面存在碳层和rGO片层的全覆盖。图4. （a） LM-rGO复合材料合成过程示意图 （b）LM-rGO核−壳结构的TEM图像 （c） SAED分析和HR-TEM图像 （d） LM-rGO不同放大倍数和角度下的SEM图 （e） LM-rGO表面的镓、铟、碳和氧元素的EDS成像。另外，为了收集更多关于合成复合材料元素组成的信息，研究者通过X射线光电子能谱（XPS）也对GO和LM-rGO复合材料进行了详细的研究。研究者也通过传统宏观傅里叶红外光谱（FT-IR）对LM-rGO表面官能团进行了研究，表明GO含氧官能团被广泛去除。4. LM-rGO复合材料的电化学行为由于LM-rGO复合材料具有高表面积、高活性界面和导电性等特点，可将合成的材料作为电活性改性修饰剂。因此，研究者在玻璃碳电极（GCE）和丝网印刷纸电极（PEs）上进行了大量的电化学性能评价，以探索LM基改性剂与纸张技术的相容性，以及开发低成本生物传感器的可能性。在这两种情况下，研究者采用电化学行为已知的亚铁氰化钾作氧化还原探针，并从电化学阻抗谱（EIS）响应、电活性表面积的变化等方面评估了改性剂对电化学性能的影响，并利用循环伏安法、微分脉冲伏安法、方波伏安法等多种电化学技术进行了表征。结果显示：LM-rGO改性修饰后的电极优于GCE和PE裸电极，证实了改性剂LM-rGO的优良电化学特性。另一方面，研究者也通过峰值力扫描电化学显微镜（PF-SECM）在纳米尺度对LM- rGO复合材料与电解溶液的界面电导率进行了评估，并研究了其表面的局部电化学活性。在PF-SECM方法中，利用AFM探针的纳米尖端和利用样品表面与针尖之间发生的可逆氧化还原反应，可以研究电荷转移的动力学。AFM探针纳米尖端可以实现表面高空间分辨率的电化学成像。PF-SECM操作示意图如图5a (原文Figure S9)，PF-SECM工作在布鲁克专利的峰值力轻敲（PFT）模式下，该模式下纳米探针在一定振幅和频率下振荡，以收集样品的形貌和导电性等信息。PF-SECM模式使用“interleave mode”，在每个振荡实例中，探针被提升到样品上方250 nm的距离。当探针从样品表面提升时记录探针尖端电流，而该探针在样品表面一定距离的电流，可用来表征样品表面电化学活性。本研究中，六胺钌氧化还原反应被用于PF-SECM成像。图5b显示了LM-rGO复合材料的形貌。图5c显示了与样品表面接触时的针尖电流，该电流既反映了样品在电解溶液中的界面局部电导率，又反映了样品表面的电化学活性。纯电化学活性数据（图5d）为AFM探针从样品表面250 nm提升高度处的探针测量电流，这证实了电荷转移可能发生在整个表面。LM-rGO微颗粒边界具有较大电化学活性，并与附近颗粒的壳相互连接。边界处电流的轻微增加是由于这些边界代表样品中的低洼区域（如山谷形状），具有高有效表面积，可再生还原剂六胺钌。PF-SECM测量结果显示LM-rGO在纳米尺度具有良好的整体电化学活性，电流可达1.7 nA。图5. PF-SECM原理和LM-rGO粒子PF-SECM分析结果：（a）PF-SECM工作原理示意图（RE、CE和WE分别对应于参比电极、对电极和工作电极）；（b） LM-rGO微粒的AFM图像；当针尖位于样品表面（c）（此处的电流代表界面电导率和电化学活性）和距离样品表面250 nm高度（d）（代表样品和电解质之间界面的电化学活性）时，针尖电流成像。5. 多巴胺的选择性传感在完成了前述的详细研究后，在抗坏血酸（AA）和尿酸（UA）存在的情况下，研究者采用了多巴胺（DA，重要的神经调节剂之一）进行了LM-rGO修饰电极用于DA检测的适用性和选择性评估。LM-rGO修饰，rGO修饰 (ErGO)和裸GCE电极的电化学EIS光谱被用来显示LM- rGO复合物中每个组件的作用。如图6a所示，ErGO显示表面DA反应的Rct值仍然较高（50.7Ω）。然而，在LM-rGO中， Rct值为20.3 Ω。这一观察结果证实了LM在系统电化学性能中的作用，与ErGO相比，LM产生的混合物对电荷转移的阻力更小。为了探索LM-rGO的作用，研究者将修饰剂、裸电极和修饰电极暴露于含有DA、AA和UA混合物的溶液中，然后记录了电化学信号（DPV和CV）。图6b、c、h显示了从裸电极， LM-rGO 修饰GCE和 PE的信号。结果可以看出：对于裸电极，DA、AA和UA的氧化还原峰显示出重叠和接近。然而，在修饰后，在不同的电位窗口中可观察到每种化合物相应的分离峰，因而证实在存在其他干扰化合物的情况下，直接测定DA成为可能。另外研究者也通过FT-IR测量了DA、AA和UA与LM-rGO的特定相互作用（图5f）。LM-rGO的FT-IR光谱显示，LM-rGO在低波数区（低于900 cm-1）尤其是在667 cm-1(代表Ga−OH基团) 表现出剧烈变化。LM-rGO表面的Ga−OH还原仅在存在AA中观察到，这为选择性峰移机制提供了证据。UA向高电位的选择性转移来源于LM-rGO表面剩余负电荷基团和带负电荷的UA分子之间的电荷排斥作用。因此，这种表面相互作用因为AA和UA的峰移，从而增强了DA的选择性。为了获得最大的传感响应，研究者对修饰材料的用量进行了优化。在最佳修饰膜厚度下，研究者获取了LM-rGO修饰GCE和PE的DA定量测定校准曲线。根据图6d，i中提供的结果，该传感器可定量测量100 nM至1500μM（GCE）和400 nM至750μM（PE）范围内的DA浓度水平，GCE和PE的灵敏度分别为30和100 nM。与GCE相比，尽管PE具有更高的电活性表面积，但观察到的动态范围更窄，灵敏度更低，这是由于PEs中已知的耗尽效应和有限的扩散。在不同浓度水平的DA和其他干扰化合物（包括AA、UA和葡萄糖（GLU），高浓度1.0 mM）共存的情况下，研究者也对界面选择性也进行了评估。图6e结果显示，DA的原始信号不会受到其他干扰物的影响，目标分析物DA的测量具有良好的选择性。最后，研究者在人血清样本中进一步研究了该传感器用于DA生物传感的适用性和选择性，结果证明：研究者设计的传感器在如此复杂的生物基质中的具有良好的准确度和精确度。图6.（a）裸GCE（i），LM-rGO修饰的GCE（ii）和ErGO修饰GCE（iii）的EIS光谱（DA用作电化学探针）；LM-rGO对GCE表面进行修饰前后，含有AA、DA和UA的混合物的CV（b）和DPV（c）信号；（d） LM-rGO修饰GCE的校准曲线，DA浓度从0到1500μM不等；（e）LM-rGO修饰GCE上进行的DA选择性试验，AA和UA浓度为1 mM；（f）LM-rGO，LM-rGO暴露于AA、UA和DA的FT-IR光谱；（g）ePAD的结构图像和 LM-rGO修饰前后PE表面的显微图像；（h）LM−rGO进行表面修饰前后，含有DA、UA和AA混合物的DPV测量信号；（i）LM-rGO修饰PE的校准曲线，DA浓度从0到750μM不等；分别使用Ag/AgCl和碳准参比电极测量从GCE和PE获得的电化学信号。 研究结论：在本研究中，研究者探索了室温LMs和GO薄片之间的界面相互作用。证明了LM和GO之间存在很强的电偶相互作用，这可以用于生成rGO单层膜和rGO厚膜。研究者对所制备的rGO样品进行了AFM，nanoIR， EDS和PF-SECM等详细表征，实验结果确认通过LM能均匀有效地还原GO薄片。研究者所提出的基于LM的rGO生产方法，有望实现rGO独立膜和衬底支撑单层膜的简易合成。此外，这种界面作用也被用于合成LM-rGO核−壳复合结构。研究者对LM-rGO修饰电极进行的电化学表征显示在AA和UA存在下LM-rGO修饰电极对DA具有良好的选择性，可用于生物传感。总之，本研究显示了LMs对GO薄片室温的还原能力，以及展示了构建功能性应用的可能性。类似利用LMs的界面特性的工艺，可以在未来的研究和工业应用中具有大量潜在应用前景。Bruker公司的AFM，nanoIR，PF-SECM，EDS等纳米技术手段因其高空间分辨率的形貌，纳米光谱和化学成像，纳米电化学，纳米元素分析的能力，将为各类复合材料纳米结构的界面研究提供新的多样化表征手段和研究方法。原文链接：Mahroo Baharfar, Mohannad Mayyas, Mohammad Rahbar, Francois-Marie Allioux, Jianbo Tang, Yifang Wang, Zhenbang Cao, Franco Centurion, Rouhollah Jalili, Guozhen Liu, and Kourosh Kalantar-Zadeh，Exploring Interfacial Graphene Oxide Reduction by Liquid Metals: Application in Selective Biosensing，ACS Nano,（2021）15 (12), 19661-19671https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c06973?ref=PDF

前 言： 　　自从70年代起其至今，我使用过好几款仪器的石墨炉，如：PE403，PE5000，PE3010，GGX-3,180-80，Z-8000，Z-5000，Z-2000，ZA3000等。凑巧的是，上述仪器的石墨炉全部是纵向加热类型的。为了活跃论坛这个&ldquo 草根&rdquo 平台，我就将这些年对纵向加热型石墨炉的认识和体会展现给版友。 　　遗憾的是，一来本人的理论水平有限，二来有关石墨炉的文献与论文，从60年代的石墨炉鼻祖利沃夫和马斯曼起，一直到目前的国内外众多的原吸大咖止，比比皆是，令人目不暇接，且全部是正说。因此，如果我也采用&ldquo 正说&rdquo 石墨炉的形式，则深感力不从心，故只能&ldquo 戏说&rdquo 了，望大家见谅! 　　(一)纵向石墨炉的历史： 　　1959年，前苏联科学家利沃夫(L，vov)设计出了石墨炉坩埚原子化器。 　　1967年，德国学者马斯曼(H.Massmann)从利沃夫的石墨原子化器得到灵感，设计出电热石墨炉并于1970年被PE公司应用到商品原吸仪器上。 　　由于马斯曼设计的纵向电加热石墨炉首次成为商品仪器，所以之后有人就将这种纵向加热结构的石墨炉称之为&ldquo 马斯曼炉&rdquo ，以示纪念。 　　(二)纵向石墨管的结构： 　　首先要搞清楚何为&ldquo 纵向&rdquo ?所谓的纵向就是指作用在石墨管上的加热电流I的流通方向与通过石墨管光轴的方向一致。见图-1 所示：　　 图-1 纵向加热石墨炉示意图 　　纵向加热石墨炉的整体外观和结构示意以及实体分解如图-2，3，4所示：　　 图-2 纵向石墨炉外观图(Z-2000)　　 图-3 纵向石墨炉结构示意图　　 图-4 纵向石墨炉实体分解图(Z-2000) 　　从图-3 和图-4 可以看出，纵向石墨炉主要是由：石墨管，石墨环，电极和石英窗组成。 　　由于纵向石墨炉问世最早，结构相对简单，石墨管加工的一致性好且成本低廉，加之技术成熟，所以该类型的石墨炉应用较为广泛 目前国内外的原子吸收光度计的生产厂家绝大部分仍然采用的是该类型的石墨炉。 　　(三)纵向石墨管的种类： 　　无论是纵向石墨炉还是横向石墨炉，最终做热功的还是石墨管 为此有必要介绍一下纵向石墨管的种类和特点。图-5 所示的就是一部分纵向加热的石墨管的外观图。　　 图-5 形形色色的纵向石墨管 　　不知大家注意没有，在上图中最右侧的那个&ldquo 高大上&rdquo 的石墨管，就是我在70年代时使用过的美国PE-403型原子吸收分光光度计中石墨炉上的石墨管，可惜当时没有想起要保存下一只该管子的实物作为留念，不能不说是一件憾事! 　　(1)筒形石墨管： 　　纵向加热石墨炉从问世开始(以PE公司原吸为代表)，石墨管就是筒形的，直至目前许多国内外仪器生产厂家例如：PE公司，热电公司，瓦里安公司，GBC公司的部分型号的仪器仍然使用着这种石墨管。如下面所示：　　 图-6 几种进口仪器使用的筒形石墨管 　　最早的传统筒形石墨管有一个弱点，那就是：由于管子的管壁厚度一致，也就是管子整体的任何一个部位的电阻值是均匀的，所以当石墨管通电加热时，理论上管子的整体的温度应该是均匀一致的才对。这种石墨管的剖面图如下：　　 图-7 传统筒形石墨管的剖面图 　　可是遗憾的是，由于纵向石墨管两端紧贴着两个质量很大的石墨环和电极之故(见图-4)，所以在原子化加热开始的瞬间，石墨管两端的温度就会因为石墨环和电极的热传导作用而低于石墨管的中央部分的温度 其后经过暂短的时间后(约零点几秒)，管子整体才会达到热平衡。这，就是在许多资料中所经常被垢病的&ldquo 温度梯度&rdquo 现象。 　　为了克服这种&ldquo 温度梯度&rdquo 的弊端，于是后人们便产生了提高筒形石墨管两端电阻值的设想。这样原来的一个阻值均匀的石墨管整体R就会被等效看做为三个串联的单体，即(R左R中　　那么如何提高筒形石墨管两端的电阻值呢?方法只有一个，那就是减少管子两端管壁的厚度。我们在初中物理学到过，一个导电体的截面积与其电阻值成反比。所以减少石墨管两端管壁的厚度就可以提高电阻值。但是要想减少管子两端管壁的厚度，却不能通过将管子外径切削变薄来实现 其原因是：石墨管两端还要保持与石墨环大面积的紧密接触才能减少热损耗。所以即要想提高电阻又要保持管子与石墨环的紧密接触，那只能在管子的内壁上做文章。具体的做法是：用车刀在管子内壁两端刻上几刀沟槽，这样既不影响管子与石墨环的接触也可以提高了两端的电阻值了，可谓一举两得。其示意图和实体图见图-8和图-9 所示：　　 图-8 改良后的筒形石墨管示意图　　 图-9 改良后的筒形石墨管剖面实体图 　　(2)鼓形石墨管： 　　改良型石墨管尽管缩短了管子整体的热平衡时间，但是效果还是不太理想。于是有的仪器厂家就设想：如果让纵向石墨管中央放置样品的部位先行到达原子化温度不就可以忽略石墨环的散热影响了吗?要想做到这一点，就要从改良型筒形石墨管做反向思维了 那就是让石墨管的三部分变为(R左R右)了，于是乎，鼓形石墨管则应运而生了 其外观如下次：　　 图-10 鼓形石墨管外观 　　看到上面的鼓形石墨管，也许有人会问：这种石墨管的外径中间粗(8mm)两端细(7mm)，如果依照前面导体的截面积与电阻成反比的定律，那么此管子的中央部位外径比两端的要粗1mm，其截面积一定大啊!按道理应该中间部位的电阻要小于两端才对，怎么反而说比两端的阻值要大呢? 　　下面我将此类管子的实际剖面图展现出来，大家就一目了然了，见图-11所示：　　 图-11 鼓形石墨管的剖面实例图 　　从上面的照片可以看到，尽管鼓形管的中间外径较两端大1毫米，但是其管壁厚度却小于两端的厚度，两者之差为(2mm-1.5mm)=0.5mm 千万别小看了这区区的0.5毫米的厚度，他却使石墨管中央部分的截面积整整小了约1/4。这样的差别，就会使该管子在原子化加热的瞬间，其中间部位迅速到达预设的原子化温度。如果用肉眼从石墨炉上盖的进样孔观察石墨管的升温状态就会发现这一过程 如图-12，13所示：　　 图-12 鼓形石墨管在原子化阶段升温瞬间的状态　　 图-13 鼓形石墨管在原子化阶段迅速达到平衡的状态 　　从上面两张照片图可以清晰地看到，鼓形石墨管在原子化开始的瞬间的确是从中央部位先行到达预设的原子化温度的，然后再向两端迅速延伸直至达到整体的热平衡，而这个平衡时间是非常短暂的。目前此类型石墨管主要是应用在岛津和日立的原吸上面。 　　此外这种鼓形石墨管还有一个优点，那就是管子中间的凹陷部位注入样品后液体不会向两端扩散 这样就保证了全部样品集中在温度最高的区域，有利于原子化。 　　(3)异形石墨管： 　　这类石墨管主要是喇叭型和哑铃型两类 由于目前几乎难以见到，故不再赘述。 　　(4)双进样孔鼓型石墨管： 　　这是一种新型的石墨管，其特点是：石墨管中央注入样品的部位被分割为两个空间 这样设计的目的是可以加大进样量，对低含量的样品起到了一个富集的效果 但是采用这种石墨管的仪器对自动进样器的精度要求是很高的，目前为止，这种双孔进样方式只有日立ZA3000型原子吸收上采用 而在横向加热石墨管上是不能实现的。该型管子的外观图和剖面图如下所示：　　 图-14 双孔石墨管的外观图　 图-15 双孔石墨管剖面图 　　(5)平台石墨管： 　　此类石墨管就是在管子的中央安放一个悬浮的石墨平台，样品加注在平台上以完成原子化过程。平台石墨管的设计理念就是实现石墨炉分析鼻祖B.V.L&rsquo vov提出的&ldquo 恒温原子化&rdquo 的理念而问世的。该石墨管的剖面图如下：　　 图-16 平台石墨管 　　(四)纵向石墨炉的特点： 　　(1)升温速率： 　　众所周知，无论石墨炉是何种形式的，其最终做功而产生的焦耳热的关键部件是由石墨管来完成的。而影响石墨炉灵敏度和重现性的一个重要的因素则是：升温程序由灰化阶段转为原子化阶段瞬间的升温速率的快慢。 　　为何这个转换速率对分析的灵敏度的影响是那样大呢?其实原因很简单：当样品完成灰化步骤后，石墨管由灰化阶跃到原子化阶段的时间越短(即升温速率快)样品产生的基态原子数目越多，自然检测到的信号就越强。反之，如果石墨管升温速率慢的话，一部分样品在还未形成基态原子前就会被载气吹跑掉了，自然灵敏度就下降了。这也就是为何石墨炉在原子化阶段采取停止载气的做法的缘由 任何事物都是一分为二的，虽然可以通过停止载气来提高检测信号的灵敏度，但是样品信号的背景值也会随之加大了，熊掌鱼翅不可兼得。 　　那么影响石墨管升温速率的因素又是什么呢?答案是：石墨管本身的质量的大小 在同等的升温条件下，质量越小升温速率越快。举一个试验例子：如果将一个大铁球和一个小铁球同时放到火炉中，哪一个先红?毋庸置疑，还是小铁球先红(即达到热平衡早)，我想这个试验结果大家均会给予认可的。目前的纵向石墨管无论是筒形的还是鼓形的其质量均在1克左右 见下表-1：　　 表-1 　　而横向石墨管的质量均比纵向石墨管大的多，一般在2.5~5.4克之间，见下表-2：　　 表-2 　　对于横向加热的石墨管而言，由于其本身的质量大于纵向石墨管，所以实际上更加注意升温速率的问题 这些石墨管的设计理念与纵向鼓形石墨管的设计如出一辙，其结构也是中央管壁薄两端管壁厚，从而造成管子整体中央电阻值大二两端小，并且这个厚薄的差异较纵向鼓形石墨管还要明显，远远大于0.5mm。见下图所示：　　 图-17 PE公司横向石墨管剖面图　　 图-18 Jena公司横向石墨管侧面图　　 图-19 GBC公司横向石墨管侧面图 　　所以，在升温速率上：从整体来看纵向石墨管优于横向石墨管(质量不同) 从局部来看二者接近(使用空间一样)。 　　(2)温度梯度： 　　自从纵向加热石墨炉问世以来，关于石墨管整个腔体内空间的温度梯度问题一直就是一个饱受诟病的争论焦点。为此，石墨炉分析鼻祖利沃夫(L，vov)先生就提出了一个&ldquo 恒温原子化&rdquo 的理念。大家熟悉的平台石墨管就是出于这个目的而研发出来的。 　　前面已经讲到，由于纵向石墨管两端存在石墨环和水冷电极的散热作用，故在原子化的瞬间致使管子的整体产生了一个两端低，中间高的&ldquo 温度梯度&rdquo 现象 这是一个不争的事实。 　　但是经过了一个暂短的时间后，石墨管会立即达到热平衡了。见下图所示：　　 图-20 筒形石墨管原子化阶段的升温模型　　 图-21 鼓形石墨管原子化阶段的升温模型 　　从上面的两张图的比较可以看出，鼓形管由于中间部分的温度高，故其升温速率要稍高于筒形管。 　　那么，横向加热的石墨管的究竟有没有&ldquo 温度梯度&rdquo 呢?见下模型图：　　 图-22 横向石墨炉工作原理　　 图-23 横向石墨管原子化阶段的升温模型 　　从图-22，23可以看出，横向石墨管在与电极接触的上下两端，同样也存在水冷电极的散热效应，所以对于横向石墨管整体而言同样也存在着温度梯度，只不过是在光轴通过的区域没有温度梯度罢了。因此纵向与横向石墨管的温度梯度的区别是：从整体来看，二者均有，仅是部位不同 从光轴观察空间来看，在原子化的瞬间，横向石墨管优于纵向石墨管 但是管子温度到达平衡后，二者相差无几了。既然横向石墨管的中间部位没有温度梯度的弊端，但是目前有些横向石墨管(例如PE的)仍然采用平台式的，这是为什么? 　　现在的问题关键是，纵向石墨管在原子化的瞬间，管子整体确实存在着温度梯度，这是一个无可争辩的事实。这个过程可用下面的模型图来说明：　　 图-24 鼓形石墨管原子化瞬间的升温模型图 　　通过上面的模型图不难看出几点： 　　1)在原子化瞬间鼓形管的确存在温度梯度，并且鼓形管的中央已经先行到达了预设的原子化温度(参看图-12)。 　　2)当石墨管整体温度到达平衡后，两端与石墨环接触的狭小部位的温度严格地讲要略低于整体的温度，这是因为石墨环的电阻要小于石墨管，因此在做功时其温度肯定比石墨管低，但是却要比水冷电极的温度高多了 由此看来，石墨环在这里不仅仅起到加持石墨管的作用，另一个不可忽略的作用就是：在石墨管和电极之间起到一个温度缓冲的隔离作用 如此就可将石墨管两端的温度梯度的影响降到了最小的程度。 　　3)鼓形石墨管的容积约600微升，而样品为20微升，仅占总容积的1/30，且位居管子中部。我的疑问：管子两端瞬时的温度梯度能对管子中央部位的20微升的样品产生多大的影响?我想这可能就如同地球一样，尽管南北两极温度很低，但是生活在赤道的居民没有感到寒冷吧? 　　4)当鼓形石墨管温度平衡后与横向加热石墨管的状态所差无几(参看图-13)。 　　5)石墨环的质量越小，温度梯度的影响也就越小。 　　6)石墨炉电路采用温控方式可以减少温度梯度的影响。 　　(3)零点漂移： 　　纵向石墨管从室温升高至3000° 时，管子本身因热涨的原因会延伸1毫米。由于纵向石墨管的延伸方向与光轴呈现同心圆的状态，所以尽管子受热膨胀，但是不会因物理挡光而使零点信号漂移。这个状态可由下图模型说明：　　 图-25 纵向石墨管受热膨胀方向与光轴的关系 　　但是当横向石墨管在受热膨胀时，其延伸方向会与光轴方向形成正交，从而影响了零点的位移。所以经常听到使用横向加热石墨炉的用户反映：&ldquo 为何我的石墨炉在空烧时会产生一个很大的吸收啊?&rdquo 其原因就在于此。这种横向石墨管在加热时的位移模型图如下所示：　　 图-26 横向石墨管受热膨胀方向与光轴方向的正交关系 　　实际上，这种石墨管膨胀方向与光轴形成正交的结果还不仅仅是零点的漂移的问题，因为石墨管在原子化阶段，管腔里面的待测元素和背景的活动非常复杂，据说要用量子力学来解释。正因如此，一直以来许多科学大咖对这个课题的研究从未停止过。 　　(五)纵向石墨管的加工和价格：　　通过前面的介绍可以看到，无论是筒形的和鼓形的石墨管，均是圆桶形的 因此加工起来就非常简单了，仅仅使用车床切削即可 并且由于加工工序简单，所以加工出来的成品的同一性，如尺寸，质量等就很容易保证，所以价格低廉。 　　而横向石墨管又别称&ldquo 异形石墨管&rdquo ，所以加工起来就相对复杂多了，需要好几道工序，如PE800的石墨管，不但要切削，还要大量的铣床工序，这可以从下图的外观造型上得到印证，所以其价格较为昂贵就在所难免啦!　　 图-27PE800石墨管 　　备 注： 　　(1)由于本文为&ldquo 戏说&rdquo ，可能难免有些观点不严谨或不科学，那么各位看官就权且当做饭后茶余的消遣罢了 不妥之处，尽可莞尔一笑。 　　(2)由于本文仅仅是谈谈个人多年来对于自己使用的纵向石墨炉的体会和看法，之所以例举了横向石墨炉的一些特点，也仅仅是为了做对比说明，仅此而已，并无丝毫褒贬和厚此薄彼之意，特此说明。

美国P.E石墨管是由高纯石墨粉通过特定工艺压制成的石墨制品。原子吸收光谱法是依椐处于气态的被测元素基态原子对该元素的原子共振辐射有强烈的吸收作用而建立的。此方法具有检出限低准确度高，选择性好,分析速度快等优点，其主要适用样品中微量及痕量组分析。它就是石墨炉分析的核心。 　　美国P.E石墨管的产品特点：　　该元件质地硬而脆，膨胀系数小、能耐急冷急热，不易变形，有良好的化学稳定性，抗酸能力较强，与强酸不反应，抗碱能力较差，在高温下能腐蚀分解棒体。碳棒的抗折强度，随着元件温度的升高而变硬度越大。元件的电阻值，通过电阻率真反映，是按部颁标准规定在25微欧。米测定的。元件的表面负荷电流密度与黑碳棒的原料配方和压制密度有密切关系，可以根据需要任意调整。　　1、碳化炉可实现自动推舟，自动调节推舟速度。 　　2、采用红外测温或光学高温计测温，可实现对炉温的自动控制。 　　3、炉温较高可到2800℃以上，工作温区大，适应范围广。 　　4、双管碳化炉可实现炉管使用时间长，更换炉管方便。 　　美国P.E石墨管的应用行业：　　化工用石墨炉管，防腐板 　　氯碱工业，电镀电解行业用石墨阳极板 　　铸造行业用石墨冷铁块，模具 　　铝材生产用石墨环，滚筒.条.板，金刚石工具石墨模具、地质钻头烧结模具 　　生产新能源材料如锂电池材料用石墨盒，石墨匣钵等。 　　本公司产品广泛应用于冶金，机械、模具、石油、化工、纺织、机电、金刚石工具等各行业。 若想了解更多P.E石墨管产品信息，可点击链接获取：https://www.instrument.com.cn/netshow/SH100408/H1273506.htm

太空环境由极端温度、真空、微流星体、太空碎片和太阳黑子活动引起的大变化组成。航天器和航天系统的设计和建造很大程度上依赖于这些参数。暴露在这些恶劣环境下的系统表面由于原子氧的存在而产生破损。因此，高强度和刚度的先进工程材料使20世纪的月球探索时代成为可能，人类探索火星和更远的目的地将需要新一代的材料。20多年来，在纳米尺度(一维小于100nm)合成和加工材料的独特性能吸引了各行各业的关注，这些特性包括大表面积、高纵横比、高各向异性、可定制的电导率和导热系数以及独特的光学特性等。这些特性可用于制备高强度、轻量化和多功能结构、新颖的传感器以及具有高度可靠的环境控制能力、能够屏蔽辐射的储能系统。可持续技术改进的交织性质使纳米材料成为航空航天应用的理想材料。纳米材料可以集成到复杂的航空几何结构中，减少制造技术中的废物产生。这也可用于轻量化和无需耗时维护的机身和结构的设计。石墨烯结构由单层厚度的六方晶格碳原子组成，具有高强度、高刚度、低密度、高电导率和导热率。石墨烯具有高的载流子传输速率，表现出比铜导体好的导电性，比硅半导体更好的材料。石墨烯基复合材料应用于航空航天工业，能有效地减轻重量，提高材料强度，从而减少排放，减少燃料消耗，最终实现更绿色和更清洁的环境。以石墨烯为基础的先进纳米材料在航空工业中，得到了广泛的认可和应用。本文主要从以下三方面进行综述: （1）简述石墨烯结构及其性能特征；（2）主要介绍石墨烯在空天推进和动力领域的热门应用方向，例如复合推进剂，热管理，电极材料，光帆材料等方面；（3）石墨烯未来在空天领域的应用前景和挑战。一、石墨烯结构及其特性石墨烯由单原子厚度的sp₂杂化碳原子同素异形体组成，呈二维(2D)平面蜂窝状晶格。也是构成石墨、碳纳米管、富勒烯等多种碳的同素异形体的基本单元。如图1所示，具有二维碳原子结构的石墨烯，可以通过堆叠形成三维的石墨，也可通过卷曲形成一维的碳纳米管，或者通过包裹形成零维的富勒烯。图1 （a）石墨烯及碳的同素异形体；（b）石墨烯的晶格结构，属于相邻两个碳格A和B的碳原子以圆点表示；（c）石墨烯的能带结构；（d）石墨烯起伏表面模型图。早在1940年，就有理论认为，二维的石墨烯处于非稳定热力学状态，无法在有限温度下自由存在。因此，一直仅是一个学术概念。直至2004年，曼彻斯特大学利用简单的机械剥离方法成功获得单层石墨烯，从而证实它可以稳定存在。石墨烯的蜂巢晶格结构由密集分布在六边形点阵上的碳原子构成，原子排列十分紧密。碳原子以sp₂电子轨道杂化，在平面内形成3个σ键，键角120°，键长约为0.142nm（图 1(b)），2pz轨道电子在垂直于平面方向形成大π键。石墨烯具有特殊的能带结构，由简单的紧束缚模型可以计算得出，它的导带（π*带）和价带（π带）在布里渊区的两个锥顶点K和K´交于一点，称为Dirac点，进而形成圆锥状的低谷。同时，通过观测发现，石墨烯并不是一个完美的平整的二维结构，而是在微观状态下表现出一定的起伏（图 1(e)），这也被认为是石墨烯能够在室温下自由稳定存在的原因。由于其优异的化学稳定性、高载流子迁移率、低密度和光学透明度等特性，在传感器、光子和电子器件等领域被认为是一种很有前景的材料。这一新型碳材料也从此开辟了一个崭新的研究方向，以其令人兴奋的独特性质，涉及的领域覆盖化学、力学、医学、电子智能及众多交叉学科，并由此创造了潜在的巨大经济价值与广阔的应用前景。二、石墨烯在空天推进领域热门应用方向航空航天应用历来是先进材料的驱动力，从太空飞行器的强化碳-碳热保护系统到先进的推进动力系统。只有工程纳米材料的应用才能满足需求，使得航空航天发展更进一步。（一）复合推进剂石墨烯的应用目前也已经扩展到复合推进剂领域，主要用于提高推进剂的热分解、导热以及力学性能。研究最多的就是复合固体推进剂含能组分的热分解，分解速率的提升对于提高推进剂的燃烧性能至关重要，而热分解又主要依赖于催化剂体系。传统上广泛使用的催化剂主要是一些过渡金属及其氧化物。它们的催化能力依赖暴露出来的金属活性位点的数量，然而其往往容易发生团聚，降低催化活性。为了克服这一问题，纳米碳材料已经被广泛作为催化剂载体，以抑制催化剂颗粒的团聚，提高其催化能力。以石墨烯为基底负载无机纳米颗粒的方法主要有非原位复合和原位复合。非原位复合是将预先制备好的纳米颗粒直接附着在石墨烯上，但是由于兼容性问题以及改性剂可能影响到与含能材料之间的相互作用，所以以原位复合方法制备复合推进剂的方法研究的较多。原位复合是通过在石墨烯表面上由各种前驱体制备出纳米颗粒的方法。根据制备手段不同原位复合可以分为还原法、电化学沉积法、水热法、溶胶-凝胶法。石墨烯原位复合纳米材料的制备方法中，电化学沉积法、溶胶/凝胶法由于工艺复杂或原料昂贵，不适合大规模生产。水热法相对于化学还原法的优势在于避免了还原剂的使用，还可以负载金属氧化物纳米颗粒，纳米颗粒分散度高，粒径小且对负载纳米颗粒的性状调控性更强。在实际应用中，根据负载的燃烧催化剂选择不同的方法制备。DEY等采用微波法制备了直径约20~30nm的Fe₂O₃粒子均匀分散在石墨烯片上的Fe₂O₃/Graphene复合粒子，作为AP的催化剂，并对其催化性能进行研究。研究发现，随着Fe₂O₃/Graphene含量的增加，催化作用也明显增强，同时指出Fe₂O₃/Graphene能够有效加快AP系推进剂的燃烧速率。复合固体推进剂的导热问题是导弹、火箭系统安全性与可靠性研究中的重要问题。一方面，由于推进剂不可避免地需要承受极端恶劣和复杂的温度环境，温度的变化很容易导致内部应力的产生；另一方面，导热系数对推进剂的点火和燃烧性能具有关键性的作用。以高分子粘结剂为基体的复合固体推进剂导热系数通常较低，这使得其在承受大幅度温度冲击时，热量无法快速传递，导致装药内部温度分布不均匀或呈梯度分布，进而产生严重的内部热应力，直接引起内部裂纹甚至结构破坏。石墨烯由于具有极高的导热系数和较轻的质量，目前已经广泛作为导热填料用于复合材料。这种具有二维结构的新型轻质碳材料实际上已经在含能材料导热性能的提升方面发挥了作用，如对于高聚物粘结炸药导热系数的提升。张建侃等总结了石墨烯应用于固体推进剂的研究进展的基础上，提出非氧化石墨烯由于导热系数高，适合经非共价改性后分散于推进剂基体中，增强基体的导热性能。此外，复合固体推进剂力学性能的不足将导致药柱无法承受冲击、振动、过载等复杂载荷的作用，进而产生裂纹，增大燃烧面积，引起发动机内压升高，甚至导致爆炸。为了提高复合推进剂的力学性能，在基体中添加纳米材料已经成为提高推进剂力学性能的重要手段。文献指出，石墨烯应用于复合推进剂，可以有效增强推进剂的力学性质。（二）热管理石墨烯纳米材料目前正被纳入各种航天热防护材料和热管理，以提高在各种气或热流动条件下热稳定性和机械完整性的极限。为特殊航天任务材料系统提供多功能的研究也在进行中。由于航空工业的发展，复合材料基体的耐热性和烧蚀性能提出了更高的要求。由于树脂具有良好的加工工艺等性能，被广泛用作耐烧蚀材料的主要基体。为了进一步改善烧蚀材料的性能，石墨烯由于其独特的结构，表现出优异的热稳定性能、力学性能、导电性能等特点，是制备先进复合材料的理想增强体。这些复合材料用于高超声速飞行器前缘的热保护系统、火箭喷管和固体火箭发动机的内部绝缘以及导弹发射设施结构。研究发现，氧化石墨烯/酚醛树脂/碳纤维复合材料的热稳定性和烧蚀性能得到了显著提高，这是因为GO在聚合物基体中的分散良好，GO与酚醛基体之间的界面相互作用强，以及热解后的层状碳结构。与其他样品相比，GO含量为1.25%的样品在烧蚀率、热扩散率和热稳定性方面表现最佳。该复合材料在不同温度下具有恒定的热扩散率，炭产率和烧蚀率分别提高了10%和51%。MA等为了提高碳纤维/ 酚醛复合材料的烧蚀性能，采用纳米填料对纤维增强体界面进行改性。首先，通过将低浓度的GO（0.1%）加入到碳/酚醛（CF/PR）中，结合实验和计算分析氧化石墨烯（GO）对提高复合材料抗烧蚀性能。氧化石墨烯填充复合材料在热阻方面的优势与氧化石墨烯的加入提高了PR的炭收率和纤维的石墨化。分子动力学模拟表明，即使浓度很小，基体内的氧化石墨烯也可以作为炭化PR石墨化晶体生长的核剂。在极端烧蚀温度下，纤维-基体界面处的氧化石墨烯可以与纤维结合。促进了石墨烯-纤维界面stone-throwing-wales缺陷(xy平面)和sp₂杂化(z方向)的形成，进一步提高了纤维的石墨化程度。文中还研究了两种纳米材料填充 CF/PR复合材料的界面、热性能和烧蚀性能。特别是，氧化石墨烯（GO）和石墨氮化碳（g-C3N4）被用于生产低负载（0.1%）的复合材料。通过氧乙炔火焰试验研究了复合材料的烧蚀性能。石墨烯填充和g-C3N4填充复合材料的抗烧蚀性能比原始复合材料分别提高了62.02%和22.36%，线性烧蚀速率的降低是导热系数、烧焦层和纤维石墨化程度共同作用的结果。氧化石墨烯填充复合材料的机理是氧化石墨烯可以显著提高纤维表面的石墨化程度，并进一步提高其抗高温烧蚀的耐热性。而在g-C3N4填充的复合材料中，较厚的纤维直径和烧蚀区炭化层可以分散可燃气体，提高抗氧化性能。此外，将石墨烯均匀地分散在丁苯橡胶基体中，显著提高了聚合物基纳米复合材料的抗烧蚀性能。多孔结构在烧蚀试验过程中形成，它增强了蒸腾和蒸发过程，降低了背面的温度升高。橡胶复合材料的极限拉伸强度和橡胶的肖氏硬度A得到有效提高，而断裂伸长率随着填料与基体比的增加而降低。与有机硅、天然橡胶和乙丙橡胶纳米复合材料相比，丁苯橡胶复合材料在暴露于超高温和剪切流后显示出很好特性。ARABY等制备了苯乙烯-丁二烯橡胶和石墨烯聚合物纳米复合材料。当纳米颗粒含量达到10.5%阈值时，产生导热和界面通道，此时导热系数最高。此外，如图2所示，辐射冷却正在成为一种越来越有吸引力的被动热管理方法，它利用周围环境中的光谱辐射特性。通过机械可重构石墨烯的选择性中间膨胀发射率控制，其中机械拉伸和释放会引起石墨烯的受控形态变化。利用太阳光谱吸收太阳辐射加热（从200nm~2.5μm，可见到近红外波长）并利用大气透射窗口（从8μm~14μm，中红外波长），通过将热量重新发射到外层空间来冷却表面。用于航空航天应用的系统和表面需要动态温度控制以获得最佳系统性能，同时满足个人舒适度和维护设备功能的热需求，并避免过热。能够在不同光谱范围内加热和冷却否定了使用具有相当均匀的高或低发射率值的传统材料，并且由于缺乏对发射率的动态调制，可调节温度的需要是刚性冷却表面无法实现的。同时，由于石墨烯良好的导热性，基于废热反射导热的石墨烯散热器在空间光伏聚光器上得到了应用，不仅降低了成本，在降低质量密度，比功率的提升方面都起到至关重要的作用。图2 （a）基于皱褶石墨烯的选择性发射；（b，c）褶皱节距的变化可利用太阳辐射和大气窗口来辐射冷却（10 μm）和加热（290nm）。（三）电极材料目前，小型化、自动化、以功能为中心的设备的快速发展，使星际任务和近地空间探索的实现更近一步。先进的纳米结构材料的引入促进了全球智能多样化的平台在电力、仪器和通信方面取得进步。然而，仍然缺乏高效可靠的推力系统，能够在长期部署期间支持小型卫星和立方体卫星的精确机动。此外，航空和空间系统需要可靠的电力生产、存储和传输，无论是短期还是长期活动。现有的能源系统正在被纳米材料创新所取代或补充。以石墨烯为基础的更好的工程纳米材料正在不断改进。MARKANDAN等使用氧化铝增韧氧化锆（ATZ）作为结构材料制造了一个微型推进器，氧化钇稳定氧化锆-石墨烯（YSZ-Gr）作为电极材料。YSZ-石墨烯不仅可以作为电解分解硝酸羟铵溶液的电极，还可以起到阻尼作用。这种微型推进器作为主推进系统具有潜在的应用，可用于卫星星座编队飞行中的快速轨道转移。离子推进器阴极（如图3（a）所示）的关键挑战在于减少或完全消除阴极的推进剂消耗，显著提高阴极的使用寿命，以及减少白炽部分的热损失。通过使用纳米多孔材料、纳米管和石墨烯，可以确保减少气体消耗。这个问题的最佳解决方案是通过使用高发射材料和表面结构完全消除通过阴极的气体通量。垂直排列的石墨烯薄片显著提高推进器效率的，作为无推进剂体系下的良好候选者而备受关注，如图3（b）所示。图3 （a）常用的热发射阴极示意图；（b)纳米多孔材料，垂直排列的石墨烯薄片直接生长在纳米多孔氧化铝上（比例尺：200nm）。（四）光帆材料基于石墨烯的轻型帆的推进系统因其灵活性和无需携带燃料这一特性而成为行星际和星际任务的候选技术。轻型航行也是唯一现存的空间推进技术，可以让我们在人类的一生中访问其他星系。为此举办的蜻蜓计划竞赛，就旨在评估激光驱动的光帆星际探测器发送到另一个恒星系统的可行性。这种大规模光操纵石墨烯光帆对实现星际探索和直接空间运输是具有深远意义的。如图4（a）所示，ZHANG等使用大块石墨烯泡沫在宏观尺度上观察到其直接光推进。这种三维石墨烯材料的新形态，使其不仅能够吸收不同波长的光，而且可以使用瓦级的激光，甚至阳光，按照一种新颖的光致电子喷射机制，直接推进到亚米尺度。如图4（b）所示，GAUDENZI与其合作伙伴制作了由铜网格支撑的石墨烯微膜二维帆叶，并在微重力环境下测试了光诱导位移。提出的材料设计消除了帆所需的光学和机械性能，从而大大降低了帆的总质量，并为利用石墨烯机械强度的高反射2D帆打开了大门。此外，PERAKIS等设计了石墨烯作为夹层的低密度和高反射率的三明治轻帆，达到指定加速度比目前最先进的镀铝的聚酯薄膜太阳帆材料性能更好。图4（a）石墨烯海绵在激光照射下向上推进和光致旋转示意图；（b）帆在激光照射下的垂直位移，显示了帆在微重力和真空中的不同位置(侧视图)：释放后(左)和在450nm、100mW的激光下加速350ms后（右） 。（五）其他领域由于太空环境由极端温度、真空、太空碎片和太阳黑子活动引起的大变化构成，那么先进的纳米复合材料被用于航空航天飞机结构和太空环境恶劣气候的涂层以及微电子系统的开发就变得非常的有意义。石墨烯霍尔效应传感器具有低热漂移，适用于航空航天应用的电力电子模块中的电流实时监测，可在高达500K的温度下工作。随着温度的升高，临界电子性质的变化，特别是载流子浓度和载流子迁移率的变化，这些参数是受实现传感器的石墨烯层狄拉克点Dirac点所独特影响的。利用门控优化石墨烯霍尔传感器可以实现低温度系数下的高灵敏度霍尔效应测量。此外，在其他星球上的生境开发受到多种标准的制约，其中之一就是空间碎片的撞击破坏。Kuzhir在纳米级厚度的铜催化剂膜和介质SiO₂基底之间通过催化化学气相沉积工艺合成Ka波段多层石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的厚度由原子力显微镜直接表征，仅显示了样品上纳米级的小波动。所研究的薄膜厚度不超过5nm，且有一定的粗糙度。石墨烯只有千分之一的皮肤深度，吸收损耗造成的电磁屏蔽效率非常高，达到35%~43%的入射功率水平上。制造的石墨烯薄膜在室温下具有高度的导电性，在可见的范围内具有非常高的透明性，并具有非常好的热学和力学性能，可能成为制造纳米级厚度的电磁干扰防护涂层的有趣的技术材料。此外，特殊的三维导电链结构对轻质，柔性的导电纳米复合材料具有很强的吸引力，尤其是在降低材料的制造价格和良好的加工性能方面。聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料通过将石墨烯排列成仿珍珠层状序列三维结构，在石墨烯含量不足的情况下表现出更高的力学性能、各向异性电导率和优越的电磁辐射屏蔽效率。掺杂0.4%质量分数的导电颗粒电磁辐射屏蔽效率达到42dB，沿排列方向的电导率为32S/m。在2500 ℃下热处理气凝胶后，聚合物纳米复合材料的电磁辐射屏蔽效率和电导率分别变化为65dB和0.5S/m。在0.15%的超低浓度，热处理温度800℃条件下，其电磁辐射屏蔽效率可达25dB。表明各向异性石墨烯/PDMS层板在超低石墨烯含量下通过结构调控获得了更高的电磁屏蔽效率。环境控制和生命支持系统技术是纳米材料的沃土，长期的人类太空探索带来了最大的挑战。无论是在相对安全的低地球轨道内的短期任务，还是艰难的长期任务，如前往遥远的星球。可靠的空气、水和食物供应；废物管理系统；功能性的可居住空间都是必不可少的。包括在国际空间站上的低轨道运行，已经为生命支撑技术提供了一个有用的试验场，随着航天国家为前往火星等目的地的长期任务做准备，在低轨道运行中测试技术被认为是一项重要的指标。目前的生命支撑技术的可靠性和性能相对较差，需要采用高比表面积和导电纳米材料作为提高系统整体性能的途径之一。碳纳米管仲胺功能化以实现二氧化碳去除，这是生命支持技术不可或缺的功能，并解决当前系统的局限性，包括可再生性和高功耗。在最好的条件下，水的净化和回收是具有挑战性的，但微重力环境的增加和多年耐用性的必要性推动了基于纳米材料的水过滤系统的几个例子。富勒烯在水净化方面已显示出非常好的前景，美国宇航局赞助的使用碳纳米管的纳米级过滤技术已发展成为一种商业产品。尽管可扩展性仍然存在问题，但多孔石墨烯是一种积极研究的水过滤材料，吸引了大量的关注，如图5所示。图5 （a）纳米多孔石墨烯水脱盐示意图；（b）具有亲水键的纳米孔示意图。三、结束语本文首先对石墨烯的结构和理化性质进行了介绍，并简要阐述各性能在具体应用中的重要作用；然后，综述了石墨烯纳米材料在航空航天领域的各方面（复合固体推进剂、热管理和智能光帆等）前沿领域的应用现状。石墨烯及其复合材料的制备已得到较快发展。其中，石墨烯在复合固体推进剂中的应用目前主要集中在提高推进剂含能组分的热分解和燃烧性能方面，而在导热和力学性能方面的研究则相对较少，且制备方法单一，以简单的共混为主，缺乏针对性的设计和性能的控制。而且对石墨烯的性能增强机理缺乏深入的分析。在热管理方面，导热系数、产炭性能和纳米颗粒分散对聚合物纳米复合材料的烧蚀性能和绝缘性能都有影响。酚醛树脂仍然是这一应用中被广泛研究的聚合物，纳米陶瓷颗粒与碳基的复合纳米填料的结合似乎是下一个热管理趋势。此外，在太空电力推进领域，新型石墨烯基纳米材料和微电子机械系统支持的离子液体推进器解决方案，这是为微加工和纳米结构推进器阵列的实现提出了方案。另外，一种可能的低成本，高时效的纳米制造工艺，用于飞机储能和生命支持设备。与传统解决方案相比，这些纳米复合材料应用了纳米材料的整合，并与太空任务和探索计划相结合，可以节省成本和时间。石墨烯在很多领域的研究仍处于探索阶段，石墨烯材料在极端环境中的行为将扩大我们的基本理解和潜在应用，将促进人类在太空的探索。石墨烯基纳米材料未来的研究重点需要着眼于以下几个方向：（1）一种降低开发成本的潜在解决方案是创新材料-建模和模拟与实验测试和表征方法相结合，可以降低开发和鉴定成本。将有助于跨越纳米工程材料的性能转化为宏观尺度上的现实。（2）大规模构造石墨烯材料的集成方法，以保持在石墨烯纳米尺度上注意到的性能和批量实现。它们占地面积小，功耗低，耐辐射，非常适合太空应用。（3）将纳米石墨烯材料集成到最先进类型的电力推进装置中，利用纳米材料的独特特性，提高其效率和使用寿命。另外，进一步创造出一个自适应（自清洁表面，自愈合修复机制，自我愈合）推进器。

p & nbsp & nbsp 石墨烯的理论研究始于1947年，迄今已有70年的历史。但真正能够独立存在的二维石墨烯晶体则是出现在2004年：英国曼彻斯特大学天文物理学教授AndreK.Geim领导的研究小组利用微机械剥离方法首次获得了石墨烯。由于具有优异的力学、热学、电学和磁学性能，有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量储存等领域获得广泛应用，石墨烯近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点之一。 /p p 　　在石墨烯首次被发现后，关于石墨烯技术的研究不断取得令人振奋的进展。在石墨烯的制备领域，如何实现低成本、高质量、可控生产是当前研究热点 在石墨烯的应用领域，则是半导体、电子、材料、生物工程等多点开花。 /p p 　　石墨烯目前还处在研发阶段，各国对于这个新兴材料还处于一个专利布局期，尚还没有出现产业化动向，整个产业链也还没有形成。目前制备石墨烯的技术工艺不成熟，还没有达到一致性的品质，而且成品面积都非常小，不能适应工业化应用，但高达2000元/克的产品价格和广阔的市场前景更是让各方对石墨烯研究一直没有停止过。 /p p 　　新兴技术的发展离不开政策的支持与引导。在2010年石墨烯发现者获得诺贝尔奖以后，不仅全球科研界竞相关注，各国政府也加大了石墨烯研发的支持力度，希望在这新一轮石墨烯研究和产业化发展的竞争中抢占先机。在石墨烯大国中，欧盟及其成员国、美国、日本和韩国较先开展相关的战略部署，出台了各项支持政策和研究扶持计划，走在了全球石墨烯研究与产业化的前列。 /p p 　　石墨烯尚未形成产业化，售价非常的高，目前国内的售价在2000元/克以上，接近于黄金价格的十倍左右。石墨烯凭借其特殊的物理结构和特质，在多个领域都将带来革命性的变革，一旦量产必将成为下一个万亿级的产业。 /p p 　　发达国家聚焦石墨烯功能器件研发和应用，未来5-10年全球石墨烯市场将进入高速发展期。美、欧、日、韩等地区密集发布政策，扶持石墨烯功能器件研发和产业化应用。欧美企业占据全球石墨烯产业链关键环节，石墨烯制备技术，复合材料、核心电子元件等应用产品保持领先优势，亚洲石墨烯应用市场前景向好。 /p p 　　数据显示，2016年石墨烯全球市场规模为755万美元，随着石墨烯制备技术进一步推动规模化应用，五至十年内市场将进入高速发展期，到2020年市场规模可达到3.85亿美元，2025年全球规模有望达到21.03亿美元。 /p p 　　根据石墨烯的不同特性和发展难度，我们总结了以下发展路径： /p p 　　◆首先，目前石墨烯粉体和薄膜产品己经具备了量产的可能性，相对应的如导电导热添加剂、防腐散热材料、复合材料及触摸屏应用领域也有望最早实现突破。 /p p 　　◆其次，石墨烯高导电性、高比容量和比表面积的特性己经被尝试用于改善超级电容的能量密度和充放电速度 另外由于其光线敏感度是普通传感器的1000倍，传感器应用也有望作为中期目标实现。 /p p 　　◆最后，石墨烯想象空间最大的领域是对硅的替代，成为下一代超高频率晶体管的基础材料，应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。计算机速度的提升要求元件集成密度进一步提高，然而硅在尺寸缩小方面己经进入瓶颈，IBM未来5年将投入30亿美元在后硅时代技术部署，石墨烯为重要的技术方向之一。然而由于石墨烯本身为导体，单层石墨烯没有带隙(BandGap)，无法实现逻辑电路必需的晶体管开关功能，需要人工植入带隙或采用复合材料的方法，工艺复杂性程度大幅提高，在微电子领域广泛使用还有待时日。 /p

李昌厚（中国科学院上海生物工程研究中心上海 200233）摘要：本文根据分析工作的实际需要和作者的实践，从原子化温度、扣背景、原子化时间、重复性和灵敏度等几个方面研究了横向加热石墨炉原子吸收分光光度计（AAS）的特点，并对横向加热和纵向加热AAS的有关问题进行了讨论。0、前言 石墨炉AAS的加热方式有两种：一种是沿光轴方向加热，叫做纵向加热；另一种是与光轴垂直方向加热，叫做横向加热[1]。从仪器学理论[1]的角度来看，横向加热石墨炉AAS有十大优点[2]（适合复杂体系、温度均匀、消记忆效应、消拖尾、对试样要求低、原子化温度低、降低炉体要求、温度梯度小、原子化时间短、灵敏度高）。从仪器学和应用的实际要求来看，横向加热石墨炉AAS的十大优点是纵向加热石墨炉AAS 无可比拟的。目前，因为横向加热的AAS难度大、成本高，所以，全世界只有6家[2]AAS生产企业能够生产横向加热的AAS。但是有人说：纵向加热石墨炉AAS的原子化温度最高可达3000℃，而横向加热AAS最高只能达到2650℃，所以纵向加热石墨炉AAS比横向加热石墨炉AAS好。也有人说：氘灯扣背景是横向加热石墨炉AAS一种很好的扣背景方法，但是也有人说：只有具有塞曼扣背景的横向加热石墨炉AAS才能叫横向加热石墨炉的AAS，氘灯扣背景的石墨炉AAS仪器，不能算是横向加热石墨炉的AAS仪器。本文将从仪器学理论和分析化学应用实践的角度，讨论这些问题。作者抛砖引玉，希望引起业内同仁对这个问题的重视和讨论，以帮助广大科技工作者正确理解这个问题，共同努力来提高我国各类AAS仪器及其应用的水平。1、关于AAS的原子化温度1）AAS的基本原理是先将被测物质由分子变成原子，随后原子蒸气中的原子对入射产生吸收，通过检测入射光和出射光的变化来分析元素的含量。横向加热AAS加热温度的最大特点是石墨管里温度基本均匀、原子蒸气浓度基本均匀。AAS的使用者不应一味追求原子化温度高，不是纵向加热的3000℃就比横向加热的2650℃好。只要原子化后，原子蒸汽浓度能满足AAS检出限（或灵敏度）的要求就可以了；并且，要求在相同温度下，原子蒸汽的浓度越高越好、原子蒸汽浓度越均匀越好。一般元素在1500℃-2500℃都能开始原子化；而有些元素1500℃以下、甚至几百度就能开始原子化[2]。目前还没有发现温度必须达到2600℃以上才能开始原子化的元素。纵向加热石墨炉的AAS，即使制造商说仪器能提供3000℃的原子化温度，也只是说石墨管中心这一点处的温度是3000℃，并非整个石墨管里（包括两端）的温度都能达到3000℃；实际上，纵向加热石墨管中心点的温度达到3000℃时，两端的温度只有1600℃左右。原子蒸气的浓度也和温度一样，并且呈正太分布[2]。而横向加热石墨炉AAS的最高加热温度是2650℃，是指石墨管里中心点处的温度是2650℃时，两端的温度可以达到2000℃，比纵向加热高出400℃；并且，横向加热时原子蒸气浓度在石墨管中的分布基本上是均匀的。从整个石墨管里的温度、原子蒸气浓度来看，横向加热优于纵向加热。因为横向加热石墨炉AAS仪器原子化器的温度均匀，所以石墨管内原子化蒸汽浓度均匀，在石墨管中心温度为2650℃的情况下，石墨管里整个空间的原子蒸汽浓度高。因为纵向加热AAS石墨管内的原子化器的温度不均匀，在石墨管中心温度为3000℃情况下，石墨管里两头的原子蒸汽浓度比较低；从下面的图表，可以清楚看出；当加热温度为2000℃时，横向加热时石墨管里的温度基本上为均匀分布的2000℃，而同样情况下，纵向加热时石墨管里的温度不均匀，呈正态分布，石墨管中心温度为2000℃时，两端的温度只有1600℃。2）一般元素对原子化温度的要求[3] 据文献报道[3]、[4]：很多元素1000℃左右就开始原子化（大多如此）；各元素原子化温度不同，第一族至第八族元素共61种， 1000℃以下没有能较好原子化的元素。值得提出的是：纵向加热时石墨管中心的温度3000℃时，两端的温度只有℃1600℃[2]，石墨管里的温度呈正态分布，原子蒸汽也是呈正态分布；横向加热2650℃，整个石墨管里的温度基本上是平坦的，原子蒸汽的分布基本上也是平坦的。所以，从仪器学角度看，如果只是石墨管中心温度高，而两端的温度梯度太大，说明石墨管里的原子蒸汽也是梯度分布，这样会影响AAS的灵敏度、稳定性、峰拖尾等等。特别应该指出的是：从仪器学理论来讲，Campbell[7]等提出的“原子化起始温度”概念、马怡载等[8] 和王平欣等[9]定义的“原子化出现温度”的概念都非常重要；马怡载等说的是产生0.004吸光度（即：产生1%吸收）时所对应的温度为“原子化出现温度”；王平欣等说的是指产生2倍噪声的吸光度时所对应的原子化温度为“原子化出现温度”。这些概念，对理解石墨管里的原子化温度非常重要。一般来讲，他们说的这些温度基本上都是指在一定条件下，这些温度下产生的原子蒸汽浓度能够测出它们对光的吸收（或者说能产生1%吸收）。也就是说，在这个温度下元素开始原子化产生的原子蒸汽浓度，就能满足检测到2倍噪声的吸光度值的要求。这也就是我们说的原子化温度。马怡载等测出的54种元素的“原子化出现温度”中，最高的为2573K（Tu），其余53种都在此温度以下。所以，横向加热石墨炉AAS的2650℃，完全能满足分析工作的要求。不会有2600℃以上才能开始原子化，更不会有3000℃才会产生“原子化出现温度”的元素。根据李攻科[5]、[6]等人报道，“元素的理论原子化效率，是原子化温度的函数；在一定的原子化温度范围内（如：900℃ -2300℃），理论原子化效率与原子化温度呈线性递增关系”；“… … 在一定的原子化温度范围内，理论原子化效率随原子化温度变化的斜率是相近的”。所以，在同一种加热方式下，AAS仪器能给出温度高者为好；但是，纵向加热的理论极限值是3000℃，横向加热是2650℃，如果温度再增高就会产生多布勒增宽，使谱线变宽，再以峰高计算时会降低灵敏度。上表中的温度不是绝对数值，只能供读者参考；因为随着仪器不同、仪器条件选择的不同、环境的不同等等，数字可能会有变化。2、关于横向、纵向加热的原子化时间、原子化温度、灵敏度和重复性与纵向加热的比较[2]1）原子化时间比较（数据来自各厂商当时市场在用仪器的使用手册）上表中的温度不是绝对数值，只能供读者参考；因为随着仪器不同、仪器条件选择的不同、环境的不同等等，数字可能会有变化。2)关于横向、纵向加热的原子化时间、原子化温度、灵敏度和重复性与纵向加热的比较[2]由表所述，在相同条件下，同一种元素的同样原子蒸气浓度的情况下，横向加热比纵向加热温度低。3）灵敏度比较（数据来自各厂商当时市场在用仪器的使用手册）综上所述，横向加热的灵敏度比纵向加热高。但是，有些AAS使用者在仪器条件的选择、样品前处理上没有认真思考，没有根据仪器学理论要求，没有选择仪器在最佳条件下工作，所以，有些人用横向加热仪器做出的灵敏度不如纵向加热仪器，就误认为横向加热石墨炉AAS的灵敏度不如纵向加热石墨炉AAS的灵敏度高。对于仪器学理论和仪器条件的学习是值得AAS使用者应该特别注意、应该认真研究的问题，所有AAS的使用者都应该对此引起高度重视。4）重复性[2]试样在石墨里的位置、均匀程度等状态，会直接影响其原子化程度，即原子蒸汽浓度；而横向加热试样处在石墨管内的平台上，纵向加热试样处在石墨管内壁上（凹面上）。二者的加热效率是横向加热大大优于纵向加热。因此二者的RSD明显不同。如表所述，横向加热的RSD优于纵向加热的RSD。结论：综上所述，可以得出横向加热AAS与纵向加热AAS优缺点的比较结论如下：（1）横向加热石墨炉AAS的原子化时间短，利于保护炉体、延长炉体寿命；纵向加热石墨炉的原子化时间长，不利于保护炉体、容易损坏炉体；（2）横向加热AAS的灵敏度比纵向加热的灵敏度高；主要是因为前者温度均匀，原子蒸汽浓度均匀所致；（3）横向加热AAS的重复性（RSD）优于纵向加热的AAS；也是因为石墨管内温度均匀所致；3、关于横向加热氘灯扣背景和塞曼扣背景[2]1）横向加热AAS氘灯扣背景的优缺点：优点：空心阴极灯的光不分束（总光能量强大）；紫外区光强度大；制造难度小、价格便宜；缺点：只能适用于UV区（但是AAS主要用在紫外区）2）横向加热塞曼扣背景的优缺点：优点：全波段扣背景（但AAS可见区很少使用全波段，基本上使用在紫外段） 缺点：空心阴极灯的光要分成两束光；紫外区光能量弱（AAS主要用在紫外区）；制造难度大；价格贵！3）氘灯扣背景的横向加热AAS与塞曼扣背景AAS灵敏度（特征质量）的比较：国产的氘灯扣背景横向加热（某国产）与美国塞曼扣背景横向加热（某国产）灵敏度（特征量）的比较（数据来自有关商家的用户手册）；共21个元素；国产TAS-990的灵敏度有19个元素优于美国AA-800。4、结论： 综上所述，可以得出以下结论：1）石墨炉横向加热AAS优于纵向加热的AAS，理由如下：①横向加热石墨炉AAS，其石墨管内原子蒸汽浓度均匀、温度曲线平坦；纵向加热石墨炉AAS的原子蒸汽浓度不均匀、温度曲线呈正态分布；②没有或很少元素要求3000℃才能够开始原子化；③ 使用者不能盲目追求原子化的温度（高）；温度过高时会产生多普勒增宽，使谱线变矮、变宽，降低灵敏度，还会可能损坏炉体；④ 横向加热石墨炉AAS有十大优点[2]；特别是灵敏度、重复性、原子化时间、原子化温度等技术指标都优于纵向加热石墨炉AAS；2）氘灯扣背景的横向加热AAS，在检测一些元素的灵敏度优于塞曼扣背景的横向加热AAS；并且性价比高、结构简单、操作简便。3）塞曼扣背景只是AAS扣背景的方法之一，有一定优势；氘灯扣背景也是横向加热AAS扣背景的方法之一，也有一定优点；所以，不能简单的说氘灯扣背景的AAS不是横向加热的AAS。4)横向加热AAS最主要的缺点是：仪器结构比较复杂、加工难度大；这也是为什么目前全世界只有六家公司能够生产横向加热AAS仪器的主要原因。5、主要参考文献[1]李昌厚著，仪器学理论与实践，北京：科学出版社，2006 [2]李昌厚著，原子吸收分光光度计仪器及其应用，北京：科学出 版社，2006[3]邓勃等编著，原子吸收光谱分析，北京：化学工业出版社，2004[4]邓勃著，原子吸收光谱分析的原理、技术和应用，北京：清华大学出版社，2004 [5]李攻科等，杨秀环，张展霞， GFAAS中理论原子化效率与原子化温度的关系研究光谱学与光谱分析，2001， 20（l），76 [6]李攻科等，杨秀环，张展霞，原子吸收光谱分析中石墨炉的原子化效率，光谱学与光谱分析， 2002，22（1），278[7] Campbell W C ,Ottaway J M.Atom –formation processes in carbon-furnaceatomizers used in atomic absorption spectrometry .Talanta ,1974,21(8):837[8] 马怡载等，石墨炉原子吸收光谱法，北京：原子能出版社[9] 王平欣等，“出现温度”观念及其在考察原子化机理过程中的应用，光谱学与光谱分析，1986,5（6），56Abstuact：According to the theory of instrumention and analysiss chemistry, The characteristics for Graphite fumace atomic absorption transverse heating and Longitudinal heating of graphite fumace atomic absorption in atomization temperature ,background correction ,atomization time ,repeatability and sensitivity aspect etc compared .Meanwhilsomproble discussed in this paper.作者简介李昌厚，男，中国科学院上海生物工程研究中心原仪器分析室主任、兼生命科学仪器及其应用研究室主任、教授、博士生导师、华东理工大学兼职教授，终身享受国务院政府特殊津贴。主要研究方向：长期从事分析仪器研究开发和分析仪器应用研究。主要从事光谱仪器（紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、拉曼光谱等）、色谱仪器（液相色谱、气相色谱等）及其应用研究；特别对《仪器学理论》和分析仪器指标检测等有精深研究；以第一完成者身份，完成科研成果15项。由中科院组织专家鉴定，其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的先进水平，2项填补国内空白；以第一完成者身份获得国家级和省部级科技成果奖5项（含国家发明奖1项）；发表论文183篇，出版专著5本；现任中国仪器仪表学会理事、《生命科学仪器》付主编；曾任中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届、第六届付理事长；国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大仪器及其应用专项的技术专家组成员或组长、上海市科学仪器专家组成员、《光学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、《生命科学仪器》副主编、上海化工研究院院士专家工作站成员等十多个学术团体和专家委员会成员等职务。