多层石墨烯

近年来，转角石墨烯受到国内的关注。转角石墨烯所具有的大周期莫尔晶格（Moiré pattern）及其所带来的能带折叠效应可以诱导出丰富、新奇的电子结构。尤其是在一些特殊的小角度上，电子结构中所出现的平带会衍生出较多不寻常的现象，如超导、强关联、自发铁磁性等。       目前，多数研究采用机械剥离和逐层转移的物理方法对转角石墨烯样品进行制备，而该方法存在条件苛刻、产出率低、界面污染等问题。为发展更加高效的制备技术，科学家通过对化学气相沉积法中衬底的设计，陆续突破了几种类型的转角石墨烯的规模化制备难题。然而，关于多层石墨烯的转角周期的可控制备方面，尚无比较普适的解决办法。       近日，中国科学院深圳先进技术研究院、上海科技大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国人民大学和德国慕尼黑工业大学，寻找到一种石墨烯的折纸方法，可实现高层间周期的转角石墨烯的可控制备。研究发现，铂金表面生长的石墨烯会形成一定的褶皱，褶皱长大后向两旁倒下，并在一些位置撕裂形成一个四重的螺旋位错中心。褶皱倒下时会折叠其一侧的石墨烯，带来与褶皱的“手性”角（也就是褶皱的方向与石墨烯晶向的夹角）具有两倍关系的单层转角。科学家称之为“一维手性到二维转角的转化关系”，并利用折纸模型对该现象进行了形象的演示。该研究进一步探讨了所形成的螺旋位错再生长带来的新奇现象，并发现各层石墨烯会随着再生长形成具有周期性的四层转角结构，其中第1、3层与原始石墨烯的晶向相同，而2、4层的晶向由褶皱手性角所决定。因此研究提出了一种新的周期转角多层石墨烯的制备方法，即通过控制石墨烯褶皱形成的方向，制备具有特殊层间转角周期的多层石墨烯。该方法可用于多种可以形成褶皱的其他二维材料。      相关研究成果以《通过石墨烯螺旋的一维到二维的生长将手性转化为转角》（Conversion of Chirality to Twisting via 1D-to-2D Growth of Graphene Spirals）为题，发表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院和国家重点研发计划等的支持。图1. 石墨烯折纸现象的记录与演示。（a-d）原位ESEM实验所记录的褶皱形成、倒下和再生长的过程；（e-h）相应过程的示意图；（i-l）利用折纸模型演示褶皱的形成、倒下和再生长。图2. 螺旋位错附近的再生长过程。（a-d）原位SEM实验所记录的多个反向螺旋位错附近的再生长过程；（e-h）动力学蒙特卡洛对该过程的模拟演示；（i）原子尺度分辨率STM所表征的石墨烯褶皱“手性”角；（j-l）利用折纸模型演示褶皱倒下时形成的螺旋位错及下层石墨烯出现的转角；（m-t）螺旋位错再生长所带来的四层周期转角结构示意图。图3. 石墨烯螺旋的再生长和合并。（a-f）原位ESEM实验所记录的褶皱出现到最终生长成多层转角石墨烯的全过程；（g）TEM表征下的多层转角石墨烯；（h）原子分辨率的多层转角石墨烯表征图；（i-k）动力学蒙特卡洛对该过程的模拟。      图4. 多层螺旋石墨烯和多层堆垛石墨输运性质的区别。（a）原子力显微镜观察到的螺旋位错中心；（b-d）输运性质检测时的实验设置；（e-g）多层螺旋石墨烯和多层堆垛石墨的电阻和磁阻随温度变化的关系。

单层石墨烯(SLG)因为其近弹道输运和高迁移率等独特性质以及在纳米电子和光电子器件方面所具有的潜在应用而受到了广泛的研究和关注。每个SLG样品都存在边界，且SLG与边界相关的物理性质强烈地依赖于其边界的取向。在本征SLG边界的拉曼光谱中能观察到一阶声子模-D模，而在远离边界的位置却观察不到。研究发现边界对D模的贡献存在一临界距离hc，约为3.5纳米。但D模的倍频模-2D模在本征SLG边界和远离边界处都能被观察到。因此，D模成为研究SLG的晶畴边界、边界取向和双共振拉曼散射过程的有力光谱手段。 　　SLG具有两种基本的边界取向：&ldquo 扶手椅&rdquo 型和&ldquo 之&rdquo 字型。与SLG不同，多层石墨烯(MLG)中每一石墨烯层都具有各自的边界以及相应的边界取向。对于实际的MLG样品，其相邻两石墨烯层的边界都存在一个对齐距离h。h可以长到数微米以上，也可短到只有几个纳米的尺度。当MLG的所有相邻两石墨烯层的h等于0时，我们称之为MLG的完美边界情况。MLG边界复杂的堆垛方式以及存在不同h和取向可显著影响其边界的输运性质、纳米带的电子结构和边界局域态的自旋极化等性质。尽管SLG边界的拉曼光谱已经被系统地研究，但由于MLG边界复杂的堆垛方式，学界对其拉曼光谱的研究还非常少。 　　最近，中国科学院半导体研究所博士生张昕、厉巧巧和研究员谭平恒等人，对MLG边界的拉曼散射进行了系统研究。他们首先对MLG边界进行了归类，发现N层石墨烯(NLG)的基本边界类型为NLGjE，即具有完美边界的jLG置于(N-j) LG上。因此，双层石墨烯(BLG)的边界情况可分为BLG1E+SLG1E和BLG2E两种情况。研究发现：(1)NLG1E边界与具有缺陷结构的NLG的D模峰形相似，其2D模则为NLG和(N-1)LG的2D模的叠加。(2)在激光斑所覆盖区域的多层石墨烯边界附近，相应层数石墨烯的2D模强度与其面积成正比，而相应的D模强度则与在临界距离内的对齐距离(如果h

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

近日 ，美国麻省理工学院 Jeong Min Park、曹原等人在《自然》发文，报告三层扭转石墨烯能够表现出超导性。这个“三明治”比双层的“魔角” 石墨烯更加稳定，并且能够通过两种相互独立的方式进行调节。这样的结构或有助于理解实现高温超导需要的条件。图片来源：Pixabay当两片石墨烯 以 1.1° 的扭转角度交错排列，这个双层结构就会转变为非常规的超导体，从而使电流无阻通过，而不会浪费能量。这种“魔角”石墨烯结构及其超导效应由美国麻省理工学院 （MIT）物理学教授 Pablo Jarillo-Herrero 团队在 2018 年首次发现。这项研究也让中科大少年班毕业生、当时年仅 21 岁的曹原“一战成名”： 他以共同第一作者/共同通讯作者 的身份首次在同一天发表了两篇《自然》 （Nature ）论文，随后他 成为了 《自然》2018 年十大科学人物中最年轻的学者 。扭转电子学 （twistronics）领域从此兴起。此后，科学家一直在寻找其他可以经过扭转而表现出超导性质的材料。但是到目前为止，除了最初的双层“魔角”石墨烯以外，没有发现其他材料具备相似的特性。近日，已经成为博士后的曹原再次以共同第一作者身份 在《自然》发文报告，在三层石墨烯组成的“三明治”中观察到超导性。 在新的三层结构中，中间一层石墨烯相对于外层以新的角度扭转，其超导性比双层结构更稳定。该论文 2 月 1 日在《自然》发表， Jeong Min Park 和曹原为共同一作，此外曹原还与他的导师、Pablo Jarillo-Herrero 共同担任论文通讯作者。日本国立材料科学研究所（National Institute of Materials Science）的渡边贤司（Kenji Watanabe）和谷口尚（Takashi Taniguchi）也参与了这项研究。研究人员还可以通过施加和改变外部电场的强度来调节结构的超导性。而通过调节三层结构，研究人员能够产生超强耦合超导性，这是一种奇特的电学行为，在其他所有材料中很少见。Jarillo-Herrero 说：“目前尚不清楚魔角双层石墨烯是不是特例，但现在我们知道它并不孤单，它有一个三层表亲。这种超可调（hypertunable）超导体的发现将转角电子学领域扩展到了全新的方向，在量子信息和传感技术中具有潜在的应用。”打开新型超导体研究的大门在 Jarillo-Herrero 和同事们发现扭转双层石墨烯中可能产生超导性之后不久，理论物理学家提出，在三层或更多层石墨烯中也可能看到相同的现象。石墨烯就是厚度仅有一层原子的石墨，它完全由排列成蜂窝状晶格的碳原子组成，如同纤细却坚固的金属网格。理论物理学家提出，如果将三层石墨烯像三明治一样堆叠， 中间层相对于两个外层扭转 1.56 度，那么这种扭曲构型将产生一种对称性，从而促使材料中的电子配对，形成无阻力的电流，即超导的标志。Jarillo-Herrero 说：“我们就想，为什么不尝试检验一下这个想法？”为此，Park 和曹原设计了三层石墨烯结构。他们将单层石墨烯小心地切成三个部分，并将其按照理论预测的角度精确堆叠。他们制造了几个这样的三层结构，每个结构的尺寸仅有几微米，大约相当于人类头发的直径的 1/100，高度则为三个原子。Jarillo-Herrero 称之为 “纳米三明治”。接下来，研究小组将电极连接到结构的两端，并通过电流，同时测量材料中损失或耗散的能量。“我们没有观察到能量耗散，这意味着它是超导体。”Jarillo-Herrero 说，“我们必须肯定理论物理学家的贡献，他们算出了正确的夹角。”但他补充说， 这种结构具备超导性能的确切原因仍然有待确认，目前还不确定这是不是因为理论物理学家所提出的对称性。这也是他们计划在未来的实验中进行检验的内容。 他说：“目前我们只能确认相关性，而无法确认因果关系。但现在我们至少有了一条途径，可以根据这种对称性思想探索一大批新型超导体。”“ 最强大的耦合超导体”在探索新的三层石墨烯结构时，研究团队发现，可以通过两种方式控制其超导性。对于团队此前提出的双层石墨烯，可以通过施加外部 门电压来改变流过材料的电子数量，从而调节其超导性。研究团队上下调节门电压，同时测量材料停止耗散能量、转变为超导体时的临界温度。通过这种方式，团队能够像调节晶体管一样打开和关闭双层石墨烯的超导性。团队使用相同的方法来调节三层石墨烯，同时还发现了控制材料超导性的第二种方法，这在双层石墨烯和其他扭转角结构中是不可能的。这种方式就是使用附加电极对材料施加 电场，这能够改变三层结构之间的电子分布，同时不改变结构的整体电子密度。Park 说：“现在，这两个相互独立的‘旋钮’能为我们提供大量有关超导电性出现条件的信息，帮助我们理解这种不寻常的超导状态背后至关重要的物理学原理。”通过同时使用这两种方法调整三层结构，研究小组在一定条件下观察到了超导性，包括在相对较高的 3 开尔文临界温度下，即使此时材料的电子密度很低。相比之下，量子计算领域正在研究使用铝制作超导体，铝具有更高的电子密度，而它仅在约 1 开尔文的温度下才具备超导性。Jarillo-Herrero 说：“我们发现魔角三层石墨烯可以成为最强大的耦合超导体，这意味着在给定的电子数量很少的情况下，它也能在相对较高的温度下进行超导。它能带来最大的收益。”研究人员计划制造三层以上的转角石墨烯结构，以了解具有更高电子密度的此类构型是否可以在更高的温度下表现出超导性，甚至实现室温超导。“如果能够工业化大规模生产这些结构，那么我们就可以制造用于量子计算的超导比特，或者低温超导电子器件、光子探测器等。不过我们还不知道如何一次制造数十亿个这样的结构，”Jarillo-Herrrero 说。Park 说：“我们的主要目标是理解强耦合超导的基本性质。三层石墨烯不仅是有史以来最强大的强耦合超导体，它还具备最大的调节空间。借助这种可调谐性，我们能够真正实现在相空间的任何位置探索超导电性。”论文信息：Park, J.M., Cao, Y., Watanabe, K. et al. Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene. Nature (2021).

近日，南京理工大学理学院陈漪恺博士与中国科学技术大学物理学院光电子科学与技术安徽省重点实验室张斗国教授合作，提出并实现了一种基于介质多层薄膜的光谱测量元器件，可用于各类光信号的光谱表征；其核心部件厚度仅微米量级，可附着在常规显微成像设备或微型棱镜上完成光谱测量，实验光谱分辨率小于0.6nm。研究成果以“Planar Photonic Chips with Tailored Dispersion Relations for High-Efficiency Spectrographic Detection”为题发表在国际学术期刊ACS Photonics。光谱探测技术被广泛应用在科学研究和工业生产，在材料科学、高灵敏传感、药物诊断、遥感监测等领域具有重要应用价值。近年来，微型光谱仪的研究受到了广泛关注，其优点在于尺寸小，结构紧凑，易于集成、便携，成本低。特别是随着纳米光子学的发展，光谱探测所需的色散元件、超精细滤波元件以及光谱调谐级联元件等，都可以利用超小尺寸的微纳结构来实现。如何兼顾器件的小型化、集成化，与光谱测量分辨率、探测效率一直是该领域的重点和难点之一。截至目前，文献报道的集成化微型光谱仪大多利用线性方程求解完成反演测算，信号模式之间的非简并性（不相似性）决定了重建光谱仪的分辨能力。这种基于逆问题求解的光谱反演技术易于受到噪音的干扰，从而降低微型光谱仪的探测分辨率和效率。近期研究工作表明，通过合理设计结构参数，调控介质多层薄膜的色散曲线，同时借助介质多层薄膜负载的布洛赫表面波极低传输损耗特性，可以实现了光源波长与布洛赫表面波激发角度之间的近似一一对应关系，如图1a,1b所示。它意味着无需方程求解，即可以完成光谱的探测与分析，避免了逆问题求解过程中外界环境噪声对反演过程的干扰，节约了时间成本，提升了探测效率。该介质多层薄膜由高、低折射率介质（氮化硅和二氧化硅）薄膜交替叠加组成，可通过常规镀膜工艺（如等离子体增强化学的气相沉积法）在各种透明衬底上大面积、低成本制备，其制作难度与成本远小于基于微纳结构的光谱测量元件。图1：一种基于介质多层薄膜的光谱探测元件，可用于各类光信号的光谱表征；其核心部件厚度仅微米量级，可附着在常规显微成像设备或微型棱镜上完成光谱测量，实验光谱分辨率小于0.6nm。作为应用展示，该光谱探测元器件被放置于微型棱镜或者常规反射式光学显微镜上，当满足布洛赫表面波激发条件时，即可实现光谱探测。如图1c，当激光和宽带光源分别入射到介质多层薄膜上时，采集到的反射信号分别为暗线和暗带，其强度积分及对应着光源的光谱（图1d,1e所示）。钠灯的光谱测量实验结果表明，该测量器件能达到的光谱分辨率小于0.6 nm (图1f所示)。不同于常规光谱仪需要在入射端加载狭缝，该方法无需狭缝对被测光源进行限制，从而充分利用信号光源，有效提升了光谱探测的信噪比和对比度，因此器件可以应用于荧光光谱和拉曼散射光谱等极弱光信号的光谱表征，展现出其在物质成分和含量探测上的能力，如图1g，1h所示。介质多层薄膜的平面属性，使得其可以在同一基底上加载不同结构参数的介质多层薄膜，从而实现宽波段、多功能光谱探测器件。该项工作表明，借助于介质多层薄膜负载布洛赫表面波的高色散、低损耗特性，可以实现低成本、高效率、高分辨率的光谱测量，为集成化微型光谱仪的实现提供了新器件。该项工作也拓展了介质多层薄膜的应用领域，有望为薄膜光子学研究带来新的生长点。陈漪恺博士为该论文第一作者，张斗国教授为通讯作者。上述研究工作得到了科技部，国家自然科学基金委、安徽省科技厅、合肥市科技局、唐仲英基金会等项目经费的支持。相关样品制作工艺得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的仪器支持与技术支撑。

由德国哥廷根大学领导的一个国际研究团队在最新一期《自然》杂志上发表论文称，他们在对天然双层石墨烯开展的高精度研究中，发现了新奇的量子效应，并从理论上对其进行了解释。这一系统制备简单，为载荷子和不同相之间的相互作用提供了新见解，有助于理解所涉及的过程，促进量子计算机的发展。2004年，两位英国科学家用一种非常简单的实验方法从石墨中剥离出石墨片，并借助特殊胶带得到仅由一层碳原子构成的石墨烯。石墨烯是强度最高的材料之一，具有很好的韧性、超强导热性与导电性，应用前景十分广阔。如果将两层石墨烯彼此以特定的角度偏转，所得到的系统甚至会表现出超导性和其他激发量子效应，如磁性。但迄今为止，很难制备出这种偏转的双层石墨烯。在最新研究中，科学家们使用了天然形成的双层石墨烯。他们首先使用简单的胶带从一块石墨中分离出石墨烯样品。为观察量子力学效应，施加了垂直于样品的高电场。他们发现，所得到系统的电子结构发生了变化，且拥有类似能量的电荷载流子出现强烈的累积效应。研究进一步发现，在略高于绝对零度（-273.15℃）下，石墨烯中的电子可相互作用，出现了各种意想不到且复杂的量子相。如相互作用导致电子自旋对齐，使材料在没有施加外部影响的情况下具有磁性。通过改变电场，研究人员也能不断改变双层石墨烯中载流子相互作用的强度。此外，电子运动的自由度在特定条件下会受限，形成电子晶格，且由于相互排斥作用，不再有助于传输电荷，导致系统对电绝缘。哥廷根大学物理系托马斯韦茨教授表示，新系统的主要优势之一在于材料制备非常简单，研究人员不需要像以前那样在高温下才能获得所需结果，可用于进一步研究各种量子态及量子计算机等。

使用岛津红外显微镜AIM-9000及AIMsolution分析软件，可以在对扫描点进行可视观察的同时，测定该扫描点的光谱。通过可视观察的同步测定可以实时确认各扫描点的图像和光谱。另外，因为AIMsolution分析软件以相同颜色显示各扫描点及其光谱，所以不仅可视觉确认扫描信息，还可以简单地进行大气校正等数据处理和检索操作。 本文向您介绍通过可视观察的同步测定对多层薄膜进行分析的示例。使用AIM-9000、AIMsolution Measurement软件和AIMsolutin分析软件，在每一个操作步骤都可以瞬间获得准确的数据，实现了前所未有的轻松分析。 了解详情，敬请点击《可视观察的同步测定－多层薄膜的透射测定－》

p style=" text-indent: 2em " 在工业生产中，涂层最常起到抗腐蚀、抗热、抗氧化等功能。像海洋这种高盐高湿的恶劣环境，电化学腐蚀能在极短的时间内将钢铁船变成一块废铁，因此常采用阴极保护与防腐涂层结合的方法来保护船体及一些暴露在烟雾等腐蚀条件下的工件、设备或部分等。 /p p style=" text-indent: 2em " 但对于舰船燃气轮机等在高温环境下的部件来说，需要的涂层不仅要耐湿耐腐蚀，同时还要有优异的耐高温性能。最近，一种石墨烯“三防”涂层技术已在秦皇岛经济技术开发区研发成功，可应用于舰船燃气轮机、航空航天发动机高温部件保护以及舰船防盐雾及海生物腐蚀等，有力地填补了高温涂层技术应用在重盐雾地区的市场空白。 /p p style=" text-indent: 2em " 这种石墨烯“三防”涂层技术由远科秦皇岛节能环保科技开发有限公司历时3年多时间研发成功，相关涂层材料在南海、东海重盐雾地区的高温部件上挂件测试，通过6000小时连续工作验证，使原基材在不改变属性的情况下，增加3倍以上的使用寿命，经国家权威部门认定，该产品具有防霉菌、防盐雾腐蚀、抗高温氧化功效，完全可以满足高温条件下发动机热部件1500小时的应用，解决了我国在这一领域的技术难题。 /p p style=" text-indent: 2em " 据了解，这种石墨烯涂料主要是碳原子和稀土氧化物原子复合而成，这种复合性碳原子保护共性材料，使基础材料强度增强，形成了超保护薄膜，从而改变了隔热系数。 /p p style=" text-indent: 2em " 据远科秦皇岛节能环保科技开发有限公司总经理闫俊良透露，随着我国在石墨烯涂层技术上取得突破，它的应用领域会逐渐扩展，“三防”涂层技术除可应用于我国舰船燃气轮机、航空发动机领域外，还可在各种远洋运输船、游轮等民用船舶上使用。这种材料一旦得到应用，预计每年可为我国节省维护费用上百亿元，并使各类装备的使用寿命和强度大幅提升。 /p

p style=" text-indent: 2em " 近日美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室和法国诺贝尔物理学奖获得者Albert Fert合作完成了一个科研项目。他们将单层的石墨烯和薄层磁性材料（钴和镍）结合在一起，改变了材料电子结构，产生独特的自旋性能，使它能在非常小的体积下快速高效地存储传输数据。这为下一代计算发展奠定了高速储存技术基础。 /p p style=" text-indent: 2em " 因为对多层材料的磁性效应研究做出突出贡献，Albert Fert在2007年获得诺贝尔物理学奖。也正因为他，读取硬盘驱动器数据的新技术才得以问世，之后这种技术得到开拓发展，逐渐引出一个新的研究领域——“自旋电子学”。通过研究如何控制利用 “自旋”电子的基本属性，科学家们试图开发出一种用于计算机的新型低耗能、高速存储运算技术。 & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " 那究竟什么是电子自旋呢？伯克利国家实验室的科学家Andreas Schmid解释说：“在量子物理学的概念里，电子就像是罗盘的指针，会指北或指南，这种特性就是自旋。” & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " 而石墨烯和磁性层之间又是如何相互影响的呢？研究人员发现，材料的电子和磁性会在层相遇的地方形成微小的漩涡模式，这为控制这些漩涡方向以及在超薄材料中利用这些“自旋轨道”效应提供了可能。 & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " 通常情况下，希望利用这一效应的研究人员会将重金属或贵金属（如铂和钽）与磁性材料结合在一起。但石墨烯的出现成为了一种具有革命意义的潜在替代品，因为它又薄又轻，具有非常高的导电性，并且还可作易腐蚀磁性材料的保护层。这完全满足科学家们对“自旋电子学”的研究初衷，能够实现在非常小的体积下快速高效地存储传输数据，并且不会产生热量积聚，这个特征能解决当前小型计算设备最常见的高温难题。 & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " Andreas Schmid说：“你可以想象未来我们不再需要电脑移动硬盘，我们仅仅用几个电信号就可在其他固态设备中存储信息。在这种情形下，计算功耗会降低，而且数据存储的易失性问题也可解决，毕竟‘硬盘’不再移动。” & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " 目前他们的最新研究成果已经表明，实现这一应用的曙光就在眼前，下一步该做的是控制一种纳米磁性特征——斯格明子（skyrmions，专业解释见文末），它可以使材料的结构表现出特定的手性特征，使它们可以顺时针或逆时针方向旋转。 & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " 在传统的层状材料中，电子在材料中的传播模式就像风吹一样，一波连着一波，如果想改变磁结构，就会像强风吹动一堆叶子一般。但这种石墨烯层状材料的却相反，由于“自旋霍尔效应”（专业解释见文末），新的石墨烯层状材料中的强电子自旋效应可以驱动相反手性的不同方向的磁性结构，这解释了电流如何影响自旋，反之亦然。如果这种手性可以通过一种材料普遍对齐，并以受控方式翻转，研究人员就可以用它来处理数据。 & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " Schmid补充说：“我们的团队成员通过计算表明，如果采用不同的磁性材料和石墨烯结合，并构建多层堆叠的结构，那么这种现象和影响会被非常有力地放大。” & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " 为了测量多层材料，科学家在伯克利的国家电子显微镜中心用上了最高端的仪器——自旋极化低能电子显微镜（SPLEEM）。这是世界上仅有的一些专用设备之一，能以标样为基准映射出样品的三维磁化轮廓（或矢量）的方向，揭示其“旋转纹理”，让科学家获得不同种类的图像。同时该研究小组还用这台仪器的分子束外延功能精确地制备了样品，并使用其他形式的电子束探测技术研究样品。 & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " 作为共同主要作者的Gong Chen是伯克利国家实验室的博士后研究员，现在也是加州大学戴维斯分校物理系的项目助理科学家，他表示，为这次合作早在2016年就和法国的科学家召开过一次会议，他们两个团队之前都独立开展了类似的研究，后来终于实现了协同合作。 & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " Chen说：“尽管本次最新实验中观察到的结果早在几十年前就被讨论过，但使用像石墨烯这样原子级薄的材料代替重元素来产生这些效应，不管从哪个角度来说都是一个新概念。薄膜的自旋霍尔效应长期以来一直被科学家们忽视，但事实上这种类型的多层堆叠非常稳定和坚固。”& nbsp /p p style=" text-indent: 2em " Schmid也说：“应用斯格明子对于数据处理来说可能是革命性的突破，因为这种结构下信息的存储密度可以远高于常规技术所能达到的数值，并且功耗要低得多。我们的研究人员也正努力在绝缘体或半导体上制备石墨烯磁性多层材料，以使其开拓出更多的潜在应用。” & nbsp /p p style=" text-indent: 2em " 这项工作由美国伯克利国家实验室与法国巴黎第十一大学的科学家合作完成的，其中包括诺贝尔奖获得者Albert Fert教授。该团队在伯克利实验室的国家电子显微镜中心完成了最关键的测量工作，他们的研究结果以论文形式发表在《Nature Materials》期刊上。 /p

HS-DSC-101差示扫描量热仪是一种测量参比端与样品端的热流差与温度参数关系的热分析仪器，主要应用于测量物质加热或冷却过程中的各种特征参数：玻璃化转变温度Tg、氧化诱导期OIT、熔融温度、结晶温度、比热容及热焓等。改性石墨烯增强有机硅涂层及其性能研究【齐鲁工业大学 姚凯 】改性石墨烯增强有机硅涂层及其性能研究上海和晟 HS-DSC-101 差示扫描量热仪

p style=" text-indent: 2em " 近日，日本科学家研制出两种新材料，它们都是三层石墨烯结构，但由于堆叠方式不同，却各具独特的电学性能，这项研究对于光传感器等新型电子器件的发展具有重要意义。 /p p style=" text-indent: 2em " 自从2004年，两位科学家首次利用清洁石墨晶体的透明胶带分离出了单层碳原子，石墨烯就因其迷人的特质吸引了无数研究者蜂拥而至。它的强度是钢的200倍，不仅非常柔韧，而且是一种极为优良的电导体。 /p p style=" text-indent: 2em " 石墨烯的碳原子呈六边形排列，构成了蜂窝状晶格。在单层石墨烯上再堆叠另一单层石墨烯，就可以形成双层石墨烯结构。有两种堆叠方法：让每层石墨烯结构的碳六边形中心彼此正对在一起，就构成了AA堆叠结构；而将其中一层向前移位，使得其碳原子六边形中心位于另一层石墨烯的碳原子之上，就构成了AB堆叠。AB堆叠的双层石墨烯材料在施加外部电场时，具有半导体的性质。 /p p style=" text-indent: 2em " 刻意堆叠三层石墨烯结构是非常困难的，但是这样做却可以帮助科学家们研究三层材料的物理性质是怎样随层与层间堆叠方式的不同而变化的，并从而对新型电学仪器设备的发展具有促进作用。现在，日本东京大学和名古屋大学的研究者已成功研制出两种具有不同电学性能的三层石墨烯结构。 /p p style=" text-indent: 2em " 他们采用了两种不同的方式加热碳化硅，一种是在加压氩气环境下将碳化硅加热到1510摄氏度，另一种是在高真空环境将碳化硅加热至1300摄氏度。随后用共价键已被破坏成单个氢原子的氢气喷涂两种材料，两种不同的三层石墨烯结构就大功告成了。在加压氩气下加热的碳化硅形成了ABA堆叠结构的三层石墨烯，其顶部和底层的碳原子六边形精确对齐，中间层稍有移位。高真空环境下加热的碳化硅则形成了ABC堆叠结构的三层石墨烯，每一层碳原子六边形都比其下面一层稍稍向前移位。 /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/fda047f2-d0aa-4cca-894b-6475b2f605a5.jpg" title=" 同是三层石墨烯结构 电学性质因何大相径庭？.jpg" / /p p /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " span style=" color: rgb(127, 127, 127) font-size: 14px " ABA堆叠状三层石墨烯（图a）与ABC堆叠状三层石墨烯（图b）的晶体结构示意图 /span /p p style=" text-indent: 2em " 科学家们检测了这两种三层石墨烯结构的物理性质，发现他们电学性能差异显著。ABA型石墨烯与单层石墨烯类似，是十分优良的电导体，而ABC型石墨烯却更像AB型双层石墨烯结构，具有半导体的性质。 /p p style=" text-indent: 2em " “ABA型和ABC型两种不同三层石墨烯结构的成功制备，将从堆叠层数和堆叠序列的角度，拓宽石墨烯基纳米电子器件的研发可行性。” 相关研究人员在NPG Asia Materials杂志上发表的论文中这样总结道。 /p

随着医疗技术的不断进步，多层共挤输液袋以其优良的密封性、稳定性和环保特性，逐渐成为现代医疗领域中的主流输液包装材料。为了确保输液袋在使用过程中能够安全可靠，对其耐穿刺强度的测试显得尤为关键。一、多层共挤输液袋的结构与特性多层共挤输液袋采用先进的共挤工艺，将不同材质的薄膜层进行复合，形成具有优异性能的复合膜。其结构通常由多层薄膜组成，包括内层、中层和外层等，每层薄膜的材质和厚度都经过精心设计，以满足不同的功能需求。多层共挤输液袋具有优异的密封性、阻隔性、抗拉伸性和耐穿刺性等特点，能够有效保护输液袋内的药液不受外界污染和损坏。二、耐穿刺强度测试的重要性耐穿刺强度是衡量多层共挤输液袋性能的重要指标之一。在输液过程中，输液袋可能会受到各种外力的影响，如护士在操作过程中不小心刺穿输液袋等。如果输液袋的耐穿刺强度不足，就可能导致药液泄漏、污染等问题，严重影响患者的治疗效果和生命安全。因此，对多层共挤输液袋进行耐穿刺强度测试，是确保其安全使用的重要措施之一。三、耐穿刺强度测试应参照的标准目前，国内外对于多层共挤输液袋耐穿刺强度测试的标准已经相对完善。在国际上，一些知名的标准化组织如ISO、ASTM等制定了相关的测试标准和规范。这些标准通常规定了测试设备的精度、测试方法、测试条件以及评价指标等，为测试工作提供了明确的指导。在国内，国家相关部门也制定了一系列针对医疗包装材料的测试标准，其中就包括了多层共挤输液袋的耐穿刺强度测试。这些标准不仅参考了国际先进标准，还结合了国内医疗行业的实际情况和需求，具有更强的针对性和实用性。在进行多层共挤输液袋耐穿刺强度测试时，应严格按照相关标准的要求进行操作。测试设备应选用符合标准要求的穿刺力试验机，并确保其精度和稳定性符合要求。测试方法应根据标准规定的程序进行，包括样品的准备、测试速度的控制、测试次数的确定等。同时，测试条件也应符合标准的要求，如温度、湿度等环境因素对测试结果的影响应予以考虑。四、测试结果的评价与应用完成耐穿刺强度测试后，需要对测试结果进行科学的评价和分析。通常，测试结果会以一定的数值或等级形式呈现，用于衡量输液袋的耐穿刺性能。根据测试结果，可以对输液袋的质量进行评判，并为其在医疗领域的应用提供科学依据。此外，测试结果还可以用于指导输液袋的生产和改进。通过对不同批次或不同生产工艺的输液袋进行耐穿刺强度测试，可以找出其中的差异和原因，进而优化生产工艺或改进材料配方，提高输液袋的耐穿刺性能。五、结论多层共挤输液袋作为现代医疗领域中的重要包装材料，其耐穿刺强度的测试对于确保其安全使用具有重要意义。在进行测试时，应参照国内外相关标准的要求，确保测试结果的准确性和可靠性。同时，测试结果的评价和应用也是确保输液袋质量和使用效果的关键环节。未来，随着医疗技术的不断进步和输液袋材料的不断创新，耐穿刺强度测试的标准和方法也将不断完善和优化，为医疗行业的发展提供有力支持。

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

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多孔或层状电极材料具有丰富的纳米限域环境，表现出高效的电荷储存行为，被广泛应用于电化学电容器。而这些限域环境中形成的双电层(限域双电层)结构与建立在平面电极上的经典双电层之间存在差异，导致其储能机理尚不清晰。因此，解析限域双电层结构对探讨这类材料的电化学电容存储机理和优化电化学电容器件的性能具有重要意义。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心项目研究员黄楠团队与比利时哈塞尔特大学教授杨年俊合作，设计并制备了具有规则有序0.7 nm层状亚纳米通道的膨胀垂直石墨烯/金刚石复合薄膜电极。其中，金刚石与垂直膨胀石墨烯纳米片共价连接，作为机械增强相为构筑层状限域结构起到支撑作用。进一步，研究发现，该电极表现出离子筛分效应，离子部分脱溶等典型的限域电化学电容行为，是研究限域双电层的理想电极材料。基于该材料，科研人员利用原位电化学拉曼光谱和电化学石英晶体微天平技术分别监测充放电过程中电极材料一侧的响应行为和电解液一侧的离子通量发现，在阴极扫描过程中，电极材料一侧出现拉曼光谱 　　峰劈裂现象，溶液一侧为部分脱溶剂化阳离子主导的吸附过程。该研究综合以上实验结果并利用三维参考相互作用位点隐式溶剂模型的第一性原理计算方法，在原子尺度上评估了限域双电层中离子-碳宿主相互作用，揭示了在限域环境中增强的离子-碳宿主相互作用会诱导电极材料表面产生高密度的局域化图像电荷。该工作完善了限域双电层电容的电荷储存机理，为进一步探讨纳米多孔或层状材料在电化学储能中的功能奠定了基础。 　　8月9日，相关研究成果以Highly localized charges of confined electrical double-layers inside 0.7-nm layered channels为题，在线发表在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上。研究工作得到国家自然科学基金和德国研究联合会基金的支持。图1. 层状限域双电层膨胀垂直石墨烯/金刚石薄膜电极的制备和表征：(A)制备流程示意图；(B)石墨插层化合物的拉曼光谱；(C-D)XRD图谱；(E)SEM和TEM图像。图2. 层状限域双电层膨胀垂直石墨烯/金刚石薄膜电极的电化学行为：(A)CV曲线；(B)微分电容-电极电势关系；(C)离子筛分效应；(D)EIS图谱；(E-F)动力学分析。图3. 层状限域双电层膨胀垂直石墨烯/金刚石薄膜电极的原位电化学拉曼光谱：(A-D)原位电化学拉曼光谱；(E-F)拉曼特征演变幅度分析。图4. 层状限域双电层电容的储能机理分析：(A)拉曼光谱中的G峰劈裂；(B)电化学石英晶体微天平分析；(C)电极质量变化和拉曼特征变化的关联性；(D)DFT-RISM计算获得的图像电荷分布。

石墨烯是由一个碳原子与周围3个近碳原子结合形成蜂窝状结构的碳原子单层。理想的单层石墨烯片是由一层密集的碳六元环构成的，没有任何结构缺陷，厚度约为0.35nm，是目前为止最薄的二维纳米碳材料。石墨烯是目前自然界最薄最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。目前石墨烯可量产的制备方法主要为氧化还原法和化学气相沉淀法（CVD）。其中氧化还原法的原材料为石墨，CVD法的原材料为甲烷、乙炔等含碳气体。目前的趋势是生产缺陷极小的高品质石墨烯。因此，CVD法在大多数应用中使用频率更高。石墨烯应用领域由于石墨烯具有优异的复合性能，虽然目前其下游应用还没有实现产业化，但是其潜在的应用领域非常广泛。在这些潜在应用领域中，应重点关注复合材料、过滤器、储能、晶体管、传感器、柔性透明电极等。表1 石墨烯潜在应用领域潜在应用领域具体应用医学组织工程、造影剂、生物医学传感器、药物输送、生物样品的过滤、DNA测序等电子晶体管、电极、量子点、自旋电子学、光电子学、光探测器、热管理、电子应用、填充的导电聚合物储能电池阳极、超级电容器、储氢电池过滤水蒸馏、分子过滤、乙醇蒸馏、生物燃料净化传感器压力传感器、纳米电子机械系统、气敏传感器、分子结合传感器、运动传感器、红外传感器、隐形眼镜、磁传感器其他领域建筑材料、润滑、电波吸收、声音传感器、冷却剂添加剂石墨烯的特性组合使其应用广泛。但需要注意，这些应用通常都需要石墨烯的导电性或机械性能。这就导致石墨烯在每个应用领域都存在竞争材料，且与之相比，石墨烯的性能表现各异。◆轻量化复合强化材料交通领域，特别是航空、航天和汽车行业，大部分应用都需要轻量化复合强化材料。以碳复合材料替代金属实现汽车的轻量化，可以有效提高能源效率。政府大力推动汽车能效提高也部分推动了产业的发展。而在轻量化材料的替代过程中，石墨烯将发挥重要作用。石墨烯的性能远超这些应用领域的需求。石墨烯是截至目前人类已知强度最高物质，与单壁碳纳米管相当；韧性是碳纤维的20倍；具有极高的拉伸强度。而且，自下而上的合成可使石墨长在铜或镍的泡沫上。利用催化金属进行蚀刻，可以产生多孔的轻质石墨烯泡沫。石墨烯在轻量化复合强化材料领域应用具有2方面优点：一是多层石墨烯氧化物，可作为3D打印材料；二是可以在催化金属泡沫上合成3D石墨烯或石墨烯气凝胶，其密度仅为0.16g/cm ，是现有最轻的材料。但与其他材料对比，石墨烯作为轻量化复合强化材料，也存在成本高的限制。纤维、纳米线和碳纳米管更容易制成性能高且成本更低的复合材料。石墨烯纳米带性能更为优异，但目前难以制备且价格昂贵。◆生物医学传感器生物医学传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，由固定化的生物敏感材料作识别元件，搭配适当的理化换能器及信号放大装置，构成的分析工具或系统。与碳纳米管相比，石墨烯同样是一种理想的生物传感材料，它拥有碳纳米管的廉价、环境友好、生物兼容性以及活性基团均匀分布等优点，同时，由于含有大量的羧基、羟基等官能团，石墨烯具有良好的溶解性能，这是碳纳米管所不具备的。另一种方法是使用石墨烯和金属薄膜传感器。由于石墨烯可使生物分子紧密结合，从而增强传感器的灵敏度。石墨烯结合得越紧密，传感器的电磁屏蔽效应越小。与其他材料相比，石墨烯可与现有材料相媲美或优于现有材料，但可能还不及其他无机二维材料。碳纳米管、纳米颗粒、纳米线官能化的微机电系统和半导体二维材料，如二硫化钼，也都具有直接功能性，敏感度在很大程度上取决于接受材料和介质。◆过滤器很多行业都需要过滤，包括化学品分离、生物样品提纯、海水净化等。由于石墨烯具有良好阻隔性、可调节纳米孔和可控层间距等性能，因此其在过滤器领域应用十分突出。石墨烯进行过滤有2种方法：一是利用石墨烯薄膜的孔隙过滤。由于水净化等过滤时会带来较高压力，过滤介质需具有较大的强度，而合成石墨烯通常缺陷较少，可视为绝佳过滤介质。石墨烯生产工艺的创新也进一步强化了这一优势。可调节孔隙利于过滤，这是因为只有小于孔隙的物质才可以过滤出去。通过控制氧化性介质添加时间，可进一步控制石墨烯孔隙的大小。二是将薄膜边缘朝上，这样物质就可以穿过石墨烯之间的层间距。这种方法主要用于海水淡化，因为石墨烯的层间距小于海水中的水合离子，可利用多层石墨烯氧化物来进行过滤。与其他材料相比，石墨烯存在不足：石墨烯与沸石的孔隙大小类似，而沸石已经应用于渗透蒸发脱盐，并且最新的研究证明沸石也可通过反渗透进行海水淡化。此外，沸石的孔隙率比石墨烯可控性更高。◆DNA测序石墨烯在DNA测序领域的应用看起来很有前景，但这一市场尚不成熟，现在与其他竞争材料对比还为时过早。石墨烯DNA测序的原理是将基于石墨烯的电子传感器与纳米孔结合使用。让单个DNA分子穿过石墨烯电子传感器，就像一串珠子穿过细小的铁丝网，从而实现实时、高通量的单分子测序。除此之外，还有许多其他类型的DNA测序方法，每种方法在成本、测序时间和准确性方面都各有利弊。相比其他几种方法，石墨烯纳米孔的缺点是吞吐量低，单层测序也不准确，而使用多层石墨烯可以显著提高精度。使用石墨烯进行DNA测序的优点在于可以长时间读取，而不需要将长链DNA分解成小片段。因此，这种方法具有成本低，且便携性高。目前DNA测序方法较多，很难确定哪一个将支配市场。初步调查结果表明，成本和准确性将是最大的驱动力。由于石墨烯传感器具有成本效益优势，因此随着DNA测序在医疗行业中的应用展开，石墨烯有望得到更广泛的应用。◆透明电极透明电极可广泛应用于显示器、触摸屏和太阳能电池等领域，其市场规模超十亿美元。但由于铟的稀缺性，其价格一直上涨，这一行业一直在寻求可替代铟锡氧化物的材料。此外，随着人们对柔性电子技术关注程度的不断提升，相对于刚性易碎的铟锡氧化物，新型透明电极更为追求柔性。而单层石墨烯的透明性和导电性，使其在这一领域的应用相对广泛。石墨烯的厚度和透明度相关。如果在90%透明度时柔性能够达到15Ω/m ，这就基本可适用于所有应用。单层石墨烯可实现这种薄层电阻，而大面积石墨烯，就没有额外的结电阻。由于竞争技术的出现和铟产量的增加，石墨烯在透明电极的应用有限。但石墨烯可用于柔性电子产品，它的表现优于其他纳米技术。随着人们对铟锡氧化物替代品的需求日益增长，一些替代品已经被开发和商业化。石墨烯和铟锡氧化物的主要竞争材料是金属纳米线、碳纳米管和金属网。目前已研究改进提高透明度和结电阻的技术。在过去的10年里，其他材料已实现产业化发展，石墨烯与其相比目前表现不佳。例如，C3 Nano Inc.公司能够实现30Ω/m ，90%的透明度，不足0.6%的模糊度；Rolith, Inc.公司的亚微米金属网能够达到5Ω/m ，96%的透明度，2%的模糊度；而我国无锡石墨烯企业能够实现150Ω/m ，84%的透明度，不足1%的模糊度。石墨烯薄膜可能会减少由于均匀性造成的模糊。石墨烯纳米带性能优于其他材料，其结电阻会降低。石墨烯和纳米技术结合发展比较有前景，这是因为石墨烯可进一步提高结电阻和提高导热系数。◆储能储能可广泛应用于包括便携式电子、汽车和可再生能源的储存等领域。由于环保的要求，可再生能源和新能源汽车的发展将推动这一产业的发展。用于长期放电、快速放电电池和超级电容器需要具有大表面积的材料来积聚和存储电荷。电池的电极也需要高导电性。人们已经开始研究石墨烯在电池和静电双层电容器中的应用。而这些应用中最好使用高品质石墨烯，如三维石墨烯，即石墨烯泡沫和气凝胶。高比表面积能够允许更大的能量容量；微米级孔隙允许电解液快速通过材料。石墨烯，特别是石墨烯泡沫，比现有标准电池优势更为明显。随着人们对储能应用兴趣的提升，石墨烯电极有望广泛应用于电池和超级电容器中。石墨烯在储能领域应用的竞争者是活性炭和石墨。活性炭是一种性价比高、具有高比表面积和纳米级孔隙的材料，这使它成为强有力的竞争者。由于活性炭目前已用于高端电池，石墨烯电极的性能必须非常优异，才能成为新的储能标准。与石墨烯相比，活性炭的主要缺点是孔隙之间的有限连通性，从而限制了电子输运。由于现有活性炭生产方法的限制，基本不可能实现孔隙互联互通的可控性。最近的研究表明，通过将碳源转化为相互关联的碳源，活性炭的性能可显著改善。而利用三维石墨烯改善了石墨烯电极的性能。表面积的增加大大提高了可以储存的能量总量。◆晶体管晶体管是电子学的基础，其研发趋势是更小巧、更有效的晶体管。以石墨烯为开关材料的晶体管在学术界得到了广泛关注。晶体管控制着电子的流动，电子拥有向上的或向下的自旋量子力学性能。石墨烯的高流动性使其具有潜在的场效应。此外，石墨烯能够保持电子在微米层面的自旋能力。石墨烯是不理想的自旋电子主动元件，它具有低自旋轨道耦合性。用石墨烯来操纵电子自旋是不可能的。掺杂石墨烯在自旋—轨道耦合方面有所改进，也就是说，以石墨烯作为自旋晶体管的开关材料仍需进一步创新。由于过渡金属硫化物等竞争材料具有较高性能，石墨烯作为高性能晶体管和自旋电子学活性元素的应用有限，但作为复合强化材料还是很有前途的。石墨烯本质上不是半导体。竞争对手包括各种半导体，从砷化镓等半导体，到二硫化钼等2D半导体。在这一应用石墨烯的主要缺点是，它是一种零带隙的金属。在没有带隙的情况下，石墨烯的关断电流相对较高。引入带隙可以解决这个问题，有2种方法可以实现：掺杂和量子尺寸效应。掺杂的稳定性和石墨烯纳米带的边缘效应都会产生影响。而过渡金属硫化物等半导体二维材料，在作为活性元素的性能方面是优于石墨烯的。而石墨烯在自旋电子学的距离内保持电子自旋的能力是非常罕见的。鉴于这种稀有性，石墨烯很可能实现在这一领域的应用。由于石墨烯不是自旋电子学理想的活性元素，因此需积极研究石墨烯与二硫化钼等复合材料，从而生产自旋电子器件，控制电子自旋。石墨烯产业化发展面临的挑战根据全球新材料研发的历史可以看出，新材料实现商业化成功的途径有2种，一是获得实时利益，二是经过多年研究寻找利基应用，最终发展成为广泛应用。但一种新材料最终会被另一种新材料所取代。石墨烯与这些新材料的不同在于，其应用领域发展快速，而这种快速的增长也会导致更多企业进入市场。石墨烯商业化过程将远快于其他新材料。石墨烯最初的商业产品是对现有产品的迭代改进，如加强头盔和增强现有产品的涂层。这种方法不需要在实验室中找到有利于市场的突破性特性。然而，石墨烯要实现在其他应用领域的广泛使用则需要其性能优于其他竞争材料。据预测，从长期来看，一旦实验室级性能石墨烯实现规模化商业化生产，这些领域的应用将会带来更大规模的石墨烯生产和应用。也就是说，可以实现潜在开创性应用的新型石墨烯目前正实现商业化生产。由于现有生产制备技术的创新，大规模商业化将在未来10年内发生。1. 高品质石墨烯成本过高高品质石墨烯，特别是应用定制石墨烯，供给量低，价格昂贵，将限制石墨烯在短期内的发展。此外，新型石墨烯的批量化生产还需进一步创新，如三维石墨烯、纳米纤维、石墨烯泡沫等。新型石墨烯可用于更多的应用领域，它们的生产对于行业发展至关重要。2. 应用市场过多缺乏聚焦石墨烯的应用领域过多，缺乏聚焦，导致石墨烯发展可能性多种多样，这将限制石墨烯产业的增长率。由于存在不同种类的石墨烯，而每种石墨烯的最理想应用并没有完全研究透，因此探索其所有的应用领域变得至关重要。用于不同应用的石墨烯研发方向多种多样，目前的研究并未聚焦到最有发展前途的方向上。另外，对于复合材料性能优异，发展前景良好。但由于石墨烯发展正处于初级阶段，研发十分困难，这就导致了更长的研发周期。3. 制备和处理工艺的限制为实现产业化，需要利用石墨烯的独特性质，但只有单层无瑕疵石墨烯才具有石墨烯的独特特性。因此，实现高品质石墨烯的生产非常具有挑战性，特别是实现商业化生产。石墨烯各层之间相互吸引，这使得制备石墨烯非常困难，剥离的石墨烯通常都有几层，而不是单层。与碳纳米管类似，要完全剥离出高纯度单层石墨烯，则需要超强酸。而利用CVD法制备石墨烯则更难避免多层。采用成核生长法合成石墨烯，将产生多个晶粒，从而存在晶界缺陷。限制沉积到单层膜也是非常困难的。此外，将石墨烯从催化表面转移到所需的衬底上会导致缺陷。因此，需要克服CVD合成石墨烯的这些挑战急需技术创新。4. 来自其他新材料的竞争石墨烯之所以独特是因为它的性能。但是，由于某些应用只是使用部分性能，因此，每种应用都有较强的竞争技术。对于每种应用来说，都有几种极具竞争力的替代技术。有些优于石墨烯，或是与石墨烯相媲美。这限制了石墨烯在特定领域的应用。全球石墨烯市场发展现状及预测1. 全球石墨烯市场发展现状●石墨烯市场处于萌芽状态由于石墨烯在十多年前才研发出来，目前石墨烯市场还处于萌芽状态，主要包括一些生产和供应企业。据最近关于石墨烯的市场报告显示，在过去几年中，石墨烯产业呈现快速稳定的增长态势，近期年均复合增长率超过30%，高达60.7%。目前企业的收入主要来自于研发类生产企业，而所有经营最终产品的下游应用初创企业几乎没有收入。虽然整个行业的销售有所增长，但个别石墨烯生产公司没有像先前预测的那样做得好。石墨烯生产技术的迅速发展导致了石墨烯生产商大量使用专有技术。一些石墨烯制造商却惨遭淘汰。达勒姆石墨烯科技公司拥有一个专有的自下而上合成方法，盈利400万美元，但4年后倒闭。此外，通用石墨烯公司也盈利870万美元。grafentek公司已经从生产石墨烯转型为生产透明导电氧化物/金属氢化物。●石墨烯生产企业股票表现欠佳尽管市场总体增长，但石墨烯和石墨生产商的股票一直在萎缩。这主要包括几个原因：一是许多关于石墨烯炒作和大型供应企业倒闭的新闻报道增加，人们对石墨烯发展的狂热预期幻灭；二是缺乏商业产品。与其他纳米技术公司一样，由于炒作被搁置，企业尚未实现大范围收购，股票价格从最高估值急剧下降。而一旦石墨烯开始产业化应用，预计石墨烯市场将增长。随着新加入者不断涌现，收购可能成为当前大企业保持市场地位的关键。2. 全球石墨烯细分应用领域市场增长预测预计在未来10年，随着石墨烯应用实现产业化，石墨烯行业将快速增长。石墨烯的应用推动力将从大学实验室转向大型企业。而复合材料、储能、水净化和音频等应用领域将获得最大程度增长。石墨烯产业最大的细分领域将是替代碳纤维在航空航天领域的应用。2020年以后，随着产业化应用领域的发展，特别是海水淡化技术的兴起，研发机构对石墨烯的需求将稳定增长，并成为石墨烯产业应用中规模较小的一部分。●轻量化复合强化材料领域预计在未来几年内，复合强化轻量化材料领域将以5%～10.6%的年均复合增长率增长，复合材料在航空航天领域应用将实现30亿美元产值，在汽车复合材料领域应用将实现产值140亿美元。这一领域产业发展的重点抢占高端轻量化应用市场份额，现有应用市场主要以碳纤维为主，其在航空航天复合材料领域市场份额达到73%，在汽车复合材料领域市场份额达到3%。未来石墨烯市场份额的抢占很可能取决于石墨烯气凝胶和交联氧化石墨烯膜的生产。在这2个领域，石墨烯的技术优势远超其他竞争技术。尽管复合材料产品已经开始应用，但航空航天领域应用的大幅增长预计需要3～7年；而汽车领域应用的大幅增长则需要5～10年。因此，未来需准确评估航空航天领域应用所能带来的收益；严格控制3D石墨烯生产加工，以确保材料的一致性和可靠性。随着3D石墨烯或纤维复合材料不断研发，石墨烯的市场份额将进一步增加。●音响设备领域音箱的小型化使得石墨烯在消费电子产品领域的应用增长，预计年均复合增长率达到17%。3D石墨烯可实现更薄、更小、更高效的音频驱动，因此3D石墨烯的可靠生产将进一步提高其市场份额。在未来3～5年，随着小型节能部件领域对石墨烯需求的增长，预计石墨烯在这一领域的应用将迅速增长。●储能领域未来几年，石墨烯在电池负极市场应用将实现3亿美元产值，年均复合增长达到24%；在超级电容器市场应用将实现1.4亿美元，年均复合增长率达到11%。石墨烯泡沫或其他微孔三维石墨烯将广泛应用，其性能将超越目前需要替代的能源存储电极材料。未来为扩大市场份额，需要改进现有3D石墨烯的生产，降低成本。随着电动汽车的广泛应用，对大容量电池的需求快速增长，以及包括再生制动和太阳能输出功率等应用需求的增长，对超级电容器需求的提升，预计石墨烯在这一领域的应用将在未来3～5年快速增长。●水净化领域未来几年，石墨烯在水净化领域应用的市场将达到120亿美元，年均复合增长率将达到13%。海水反渗透脱盐需要低成本、高通量渗透膜，而海水净化占这一领域市场的70%以上。只要全海水淡化系统的产量迅速上升，石墨烯就很有可能迅速占领市场份额。预计石墨烯将在未来3～5年内实现产业化应用，这期间需要一个较长的孵化期。随着石墨烯实现规模生产，在2020后将实现快速增长。3. 全球石墨烯市场空间预测到2025年，石墨烯在多个领域的应用有望实现快速增长，2017-2025年平均增长率达到72.8%（详见图）。这预示着特定领域应用的石墨烯生产将快速增长，在最有前景的应用领域使用的石墨烯、碳纤维或其他标准材料市场占有率将迅速增加。在后几年中，石墨烯的市场应用采纳率预计会增加，因为产业发展中期推出的初始产品将大大超过竞争对手。而在3D石墨烯实现规模化生产之前，任何意外的延误都会延缓这种快速增长。图 2017-2025年全球石墨烯市场空间预测石墨烯产业发展趋势展望1. 石墨烯生产趋势展望高质量石墨烯规模化生产的困难导致其生产成本较高。目前的生产趋势：一是努力克服高质量石墨烯批量生产加工的局限性。现有客户大部分都来自于学术或其他研究机构，由于其消费量较低，因此带来了潜在的石墨烯供给过剩。尤其是一些本已盈利数百万美元的石墨烯生产企业纷纷倒闭，这一事实更是印证了人们对此的判断。大部分石墨烯生产企业纷纷拓展业务，实现多元化生产，进行新应用产品生产，或投资应用企业。二是现有利基石墨烯的生产，如交联氧化石墨烯、3D石墨烯、纳米薄片、纳米带、量子点。所有这些石墨烯都只在研究初期，未来可用于某些应用，而基础石墨烯正逐步产业化。2. 石墨烯应用领域增长点展望由于现在已有大量企业涉足石墨烯生产领域，而且基于新的生产方法，未来还有更多的企业进入，石墨烯的生产制备还未达到预期的快速增长速度。未来还需要杀手锏级的应用来实现快速增长。●增长点一：更轻更小的储能设备石墨烯在更轻更小储能设备领域的应用将带动石墨烯生产、设备集成等应用领域的发展。电池的创新已落后于其他先进消费电子领域的创新。未来将进一步研发应用具有高导电性和多孔电极的大容量电池和超级电容器；研发新型石墨烯，如3D石墨烯，能够在保持高导电性的同时，实现表面积最大化，目前研发机构正在进行3D石墨烯的潜在规模化商业化研发，需要进一步转化成商业化应用；研发新型石墨烯在能源存储设施的应用；进一步提高高纯石墨烯的制备方法；在替代现有标准方面，这些能源存储设备的新性能将至关重要。●增长点二：复合强化轻量化材料石墨烯在超轻量化复合材料领域的应用将带动石墨烯生产、设备集成、商业化销售等应用领域的发展。石墨烯泡沫和石墨烯气凝胶是最轻最强的材料，这些材料可在现有应用领域替代其他诸如碳纤维等轻量化材料，其应用范围可覆盖从航空材料的轻量化到消费电子的高效播放器等领域。新型石墨烯将进一步实现规模化商业化发展。因此，需要石墨烯生产企业和应用企业进一步加强合作。随着创新的加快和知识产权保护的加强，在其他需要更强轻量化材料领域的应用将进一步展开。

概 述人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯，是一种二维材料。虽然看起来非常单薄，但是石墨烯却具有常规材料无可比拟的优异性能：力学、电学、热传导、阻隔性等性能。其导热系数是金属的10倍，电子迁移率更高，电阻率更小，比导热导电性能最好的银和铜还要好，柔性石墨烯散热薄膜能帮助现有笔记本、智能手机等提升其散热性能；它几乎是透明的，只吸收2.3%的光，97.7%的光可被传输，使其具有非常大的潜力，可用于光伏领域等。接下来，小编就带领大家，一起走进近期石墨烯在某些领域的潜在应用性。一、柔性石墨烯存储 现在大家对手机的期待越来越高，期望能有更多的黑科技应用到手机上，希望自己的手机拥有非常酷炫的功能。除了超级大的内存、存储空间，超长待机时间，超快的传输速度，强大的拍照、录像功能，生物识别技术，全视曲面屏，AR和VR功能等，现在人们越来越关注手机的轻薄性，最酷的当属折叠手机。目前对于柔性屏幕的研究，已经有了些许眉目，但是想要手机达到任意折叠的效果，还需要内部组件的柔性可弯曲，虽然非常遥远，但是已经有了这方面的研究成果了。英国University of Exeter 基于石墨烯研发了一种新材料——混合氧化石墨烯二氧化钛存储，只有50纳米长度和8纳米的厚度，写入和读取速度只需5纳秒，非常适合未来可弯曲手机的设计，取代智能手机中的闪存储存。二、太阳能电池光板利用石墨烯高达97.7%的透光性，可将其用于光伏领域，相反的，最近英国萨里大学的研究者，利用纳米纹理化技术，可将纹理处理后的石墨烯制作太阳能光板。原来，研究者从飞蛾的眼睛得到启发，对石墨烯表面进行纹理操作，使石墨烯的吸光能力增加90%，可以吸收非常微弱的光，可以极大的提高能源利用率。三、石墨烯“人工喉”清华大学的研究者偏重于石墨烯在人体健康方面的许多研究，最近任教授介绍称，将少数几个单层的石墨烯薄膜叠加一起，形成一定的结构，可使其具有更加丰富的功能，任教授将其应用到了 “人工喉”的领域。通常情况下，一般人听不懂先天失声的人在说些什么，这就需要把这些声音转化。 “人工喉”可以检测到喉咙的振动行为，并通过处理电路进行分析。如：我们可以将10KHz或5KHz的单频率声音替换为提前录制好的声音，比如“你好”等，这样，聋哑人发出“啊”时，人工喉咙相应的自动发出“你好”，目前此项研究还在开展中。让我们共同期待，不远的将来，任教授能够利用石墨烯帮助聋哑人士开口说话吧。前面介绍了石墨烯这么多优异的功能和用途，接下来，就让我们在电镜下，看一下其庐山真面目吧。图1为采用电镜获取的石墨烯截面和表面的2万、3万、4万、5万倍下的图像，可以清晰看到，该产品由多层石墨烯组成，且呈现多孔结构。多孔结构的石墨烯，使其具有超强的吸附性能，在空气净化器、汽车换气系统滤膜等使用，尤其在污水处理方面具有非常大的潜力。研究表明氧化石墨烯对铅的吸附容量是常规碳材料的10倍，吸附率可达到99%，可以使水得到深度净化如图2所示。图1 电镜下石墨烯截面和表面形貌像图2 石墨烯的吸附作用采用蔡司的sigma500场发射扫描电子显微镜观察石墨烯，我们可以看到不一样的风景。如下图3所示，不同石墨烯的截面（6万，10万倍）和表面图像（1.5万，10万倍）。从截面图像，我们能够清晰看到其边界以及多层结构；通过表面图像可以看出，该石墨烯表面有许多褶皱，研究表明，可以通过褶皱来判断石墨烯的层数，原因是：单层石墨烯为了降低表面能，其形貌会由二维向三维转变，所以单层石墨烯的表面褶皱明显大于双层石墨烯，并且随着石墨烯层数增加，褶皱程度越来越小。另一方面，层数越多，透过的电子越少，在扫描图像上颜色越深，反之，则越浅。另外一方面，通过SPS技术，在石墨烯表面诱导产生大量褶皱形貌，可以使石墨烯从亲水性转变为疏水性，对于超疏水性材料的研制具有重大意义。后 记尽管石墨烯具有非常大的发展潜力，并且对于一些优异性能的研究已经取得了部分进展（如上所述），但是距离产业化，将这种福利惠及到大众，还是有很长的道路的。革命尚未成功，同志还需努力，广大的科研工作者还需要利用蔡司显微镜再接再厉呀~

【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

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

p 　　近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室金春水研究团队在极紫外多层膜膜厚分布超高精度控制研究方面取得新进展：通过采用遗传算法，实现了Φ200mm曲面基底上极紫外多层膜膜厚分布控制精度优于± 0.1%，镀膜引起的不可补偿面形误差小于0.1nmRMS，相关指标达到国际先进水平。相关结果在线发表于近期的Optics Letters(dx.doi.org/10.1364/OL.40.003958)上。 /p p 　　极紫外多层膜反射镜是极紫外光刻系统的核心光学元件。极紫外光刻系统需要高性能的极紫外多层膜，包括高反射率、低应力、高稳定性和高均匀性。对于极紫外光刻系统中的投影物镜，必须对镀制在其上的极紫外多层膜进行超高精度的膜厚分布控制，以便实现波长匹配和减小镀膜引起的面形误差。 /p p 　　该研究团队采用遗传算法，完成了磁控溅射源特性参数的反演和用于控制膜厚分布的公转调速曲线的反演，避免了直接测量磁控溅射速率空间分布的繁琐过程，减少了极紫外多层膜膜厚控制工艺的迭代次数，大大降低了获得超高膜厚分布精度极紫外多层膜反射镜的工艺成本。 /p p 　　该工作得到了“国家科技重大专项-02专项”项目经费的支持。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201512/insimg/23f88bde-dfca-408c-bbba-0cd143198760.jpg" title=" W020151215486777681302.png" width=" 600" height=" 225" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 225px " / /p p style=" text-align: center " 长春光机所极紫外多层膜膜厚分布超高精度控制研究获进展 /p p br/ /p

如今，气相制备色谱主要用于石油化工产品和挥发性天然产物的色谱纯样品制备领域发挥着重要作用。在化学化工医药等广泛采用的层析法以及薄层色谱就是最为典型的制备色谱，换言之，将分析色谱的进样量增大，同时得出大量的所需物质（馏分）的过程就是制备色谱。 石墨烯是石墨中剥离出的单层碳原子厚度的一种结构。据刘剑洪教授介绍，目前市面上比较主流的石墨烯制备方法主要有两种。其一是化学气相沉淀CVD法，主要利用的是化学反应冷却沉积的方式来沉积石墨烯。由于化学反应可控性不强，沉积所形成的石墨微片层数不稳定，其制备的石墨微片很难达到石墨烯的结构要求。第二种方法是氧化还原法，强氧化剂使石墨多层结构中，层与层之间的链接分开，从而得到石墨烯。这种方法市场认可，但是不能准确分离石墨层，并且化学反应会破坏石墨烯结构，产出的石墨微片很难达到市场化要求。 近年来，随着色谱技术的进步和发展，一种全新的制备色谱技术——高速逆流色谱（HSCCC）得到更广泛地应用。由于被分离物质与液态固定相之间能够充分接触，使得样品的制备量大大提高，是一种理想的制备分离手段。 相对于传统的固—液柱色谱技术，高速逆流色谱具有适用范围广、操作灵活、高效、快速、制备量大、费用低等优点。HSCCC技术正在发展成为一种备受关注的新型分离纯化技术，已经广泛应用于生物医药、天然产物、食品和化妆品等领域，特别在天然产物行业中已被认为是一种有效的新型分离技术；适合于中小分子类物质的分离纯化。 我国是继美国、日本之后最早开展逆流色谱应用的国家，俄罗斯、法国、英国、瑞士等国也都开展了此项研究。美国FDA及世界卫生组织（WHO）都引用此项技术作为抗生素成分的分离检定，90年代以来，高速逆流色谱被广泛地应用于天然药物成分的分离制备和分析检定中。 同时工业4.0时代到来，科学技术发展更加变得广泛，新型制备色谱技术将因工业制造业更加精细化发展变得更加具有市场前景。

p 　　英国剑桥大学29日发布的一项研究成果显示，研究人员成功将石墨烯电极植入小鼠脑部，并直接与神经元连接，这项技术未来可用于修复截肢、瘫痪甚至帕金森氏症患者的感知功能，协助他们更好地康复。石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体，厚度与一层原子差不多。这种材料无论是弹性、强韧度以及 拉伸性能方面都远远优于钢材等材料，被誉为“新材料之王”。 /p p 　　剑桥大学研究人员与意大利和西班牙的同行利用小鼠脑部细胞培养物进行相关实验后发现，利用石墨烯材料制造的电极能安全地与脑部神经元连接，且连接后这些神经元可正常传递电波信号，不会产生不良反应。 /p p 　　这些与神经元直接连接的电极能把脑电波信号传递给外界，让外界更清晰地了解脑部活动并修复感知功能。例如，机械臂如果能接收脑电波信号，就会按照截肢患者的想法去抓取物体 通过对这些脑电波信号的干预也会有助于帕金森氏症患者更好控制病情。但此前使用其他材料制作的电极效果并不理想，信号传递很不稳定。 /p p 　　据介绍，石墨烯的导电性能非常优异，测试中这一材料制作的电极实现了稳定的脑电波信号传递，神经元的一些特性也没有因为与电极连接发生改变。 /p p 　　研究人员说，接下来他们会探讨利用从多层到单层的不同形态石墨烯材料来制作电极，并观察它们与神经元连接的效果，最终希望能开发出具备高灵敏度以及低副作用的可植入脑部电极。 /p

x射线多层膜在静态和超快x射线衍射中的应用x射线光学组件类型根据x射线和物质作用的不同原理和机制，目前主流的x射线光学组件可以大致分为四类：以滤片、窗片、针孔光阑为代表的吸收型组件；基于反射，全反射原理的各种镜片以及毛细管、波导等反射型器件，还有基于折射原理的各种复折射镜。而本文的主题多层膜镜片，其底层原理和晶体、光栅、波带片一样，都是基于衍射原理。吸收型反射型折射型衍射型滤片窗口针孔/光阑镜片：kb、wolter、超环面镜… … 毛细管：玻璃毛细管、金属镀层毛细管复折射镜：抛物面crl、菲涅尔crl、马赛克crl、… … 晶体光栅多层膜波带片多层膜的原理和工艺一般来说，反射型镜片存在“掠射角小、反射率低”的问题。而多层膜镜片则是通过构建多个反射界面和周期，并使反射界面等周期重复排列，相邻界面上的反射线有相同的相位差，就会发生干涉，如果相位差刚好为2pi的整数倍，则会干涉相长，得到强反射线。从布拉格公式可以看出：多层膜就是通过对d值的控制，来实现波长选择的人工晶体。而在工艺实现方面，目前制备x射线多层膜镜的主要工艺有：磁控溅射、电子束蒸镀、离子束蒸镀。一般使用较多的是磁控溅射或离子束镀膜工艺，即在基板上交替沉积金属和非金属层，通过选择材料，控制镀膜的厚度及周期的选定，实现对硬x射线到真空紫外波段的光的调制。上图为来自德国incoatec的四靶材磁控溅射镀膜系统。可实现多种膜系组合的高精度镀膜。[la/b4c]40 多层膜b-kα（183ev）用多层膜，d：10nm单层膜厚：1-10nm0.x nm的镀膜精度tem: 完美的镀层界面frank hertlein, a.e.m. 2008上图为40层la-b4c多层膜的剖面透射电镜图像和选区电子衍射，弥散的衍射环说明膜层是非晶结构。同时可以明显看到：周期为10nm的膜层界面非常清晰和规则。这套镀膜系统可获得0.x nm的镀膜精度。多层膜的特点示例—单色和塑形多层膜最显著的特点和优势在于可以通过基底的面型控制和镀层的膜厚控制，将x光的塑形和单色统一起来。当然，这是以精度极高的镀膜工艺为前提。下图的数据展示了进行梯度渐变镀膜时，从镜片一端到另一端镀膜的周期设计数值 vs. 实际工艺水平。可以看到：长度为150mm的基底上，单层镀膜膜厚需要控制在3.8-5.7nm，公差需要在1%以内。相当于在1500公里的长度上，厚度起伏要控制mm水平。这是非常惊人的原子层级的工艺水平。frank hertlein, a.e.m. 2008通过面型控制来实线x射线的塑形；通过极高精度的膜厚控制实现2d值渐变—继而实现单色；0.x nm尺度的镀膜误差——需要具备原子层级的工艺水平！多层膜的特点示例—带宽和反射率除了可以通过曲面基底和梯度镀膜实现对x光的塑形和单色，还可通过对膜层材料、膜厚、镀膜层数等参数的设计和控制，来实现带宽和反射率的灵活调整。如窄带宽的高分辨多层膜，以及宽带宽的高积分反射率多层膜。要实现高分辨：首先要选择对比度较低的镀膜材料，如be、c、b4c、或al2o3；其次减小膜的厚度，多层膜的厚度降为10~20å；最后增加镀膜层数，几百甚至上千。from c. morawe, esrf多层膜的特点示例—和现有器件的高度兼容左侧: [ru/c]100, d = 4 nm r 80% for 10 e 22 kev中间: si111 δorientation0.01°右侧: [w/si]100, d = 3 nm r 80% for 22 e 45 kevdcmm at sls, switzerland, m. stampanoni精密、灵活的膜层设计和镀膜控制镀膜材料的组合搭配；d/2d值的设计和控制；带宽和反射率的灵活调整。和现有器件的高度兼容多层膜主流应用方向目前，多层膜的主流应用方向和场景主要有：粉末、x射线荧光、单晶衍射以及同步辐射的单色、衍射、散射装置搭建。粉末衍射x射线荧光单晶衍射同步辐射基于dac的原位高压静态x射线衍射典型的静高压研究中，常利用金刚石对顶砧来获得一些极端条件。在极端的高压、高温下，利用x射线来诊断新的物相及其演化过程是重要的研究手段。x-ray probe利用金刚石对顶砧可以获得极端条件(数百gpa, 几千°c) 利用x射线探针来诊断和发现新物相；由于对x光源、探测器以及实验技术等方面的苛刻要求，尤其是需要将微束的x光，精准的穿过样品而不打到封垫上。长期以来，基于dac的x射线高压衍射实验只能在同步辐射实现。但同步辐射有限的机时根本无法满足庞大的用户需求。不能在实验室进行基于dac的x射线高压衍射实验和样品筛选，一直是广大高压科研群高压衍射实验室体的一大痛点。以多层膜镀膜工艺为技术核心，将多层膜镜片与微焦点x光源耦合，我们可以为科研用户提供单能微焦斑x射线源，使得在实验室实现高压衍射成为可能。下图是利用mo靶（左）和ag靶（右）单能微焦斑x射线源获得的dac加载下的lab6样品的衍射图。曝光时间300s，探测器为ip板，样品和ip板距离为200mm。可以看到：300s曝光获得的衍射数据质量是可接受的。特别地，对于银靶，由于其能量更高，可以压缩倒易空间，在固定的2thelta角范围内，可以获得更多的衍射信息，这对于很多基于dac的静高压应用来说非常有吸引力。dac加载下的lab6样品的衍射数据：多层膜耦合mo靶（左）和ag靶（右）曝光时间300s，探测器为ip板，样品和ip板距离为200mmbernd hasse, proc. of spie vol. 7448, 2009 (doi: 10.1117/12.824855)基于激光驱动超快x射线衍射在利用激光驱动的x射线脉冲进行超快时间分辨研究中，泵浦探针是常用的技术手段。脉宽为几十飞秒的入射激光经分束后，一路用于激发超快x射线脉冲，也就是探针光；另一路经倍频晶体倍频作为泵浦光。通过延时台的调节，控制泵浦激光和x射线探针到达样品的时间间隔，可实现亚皮秒量级时间分辨的测量。而在基于激光驱动的超快x射线衍射实验中，如何提升样品端的光通量？如何获得低发散角的单色光束？如何抑制飞秒脉冲的时间展宽？如何同时兼顾以上的实验要求？都是需要考虑的问题。很多时候还需要兼顾多个技术指标，所以我们非常有必要对各类光学组件和x射线飞秒脉冲源的耦合效果和特点有一个比较清晰的认知。四种光学组件和激光驱动x射线源的耦合效果对比首先我们先对弯晶、多层膜镜、多毛细管和单毛细管四种组件的聚焦效果有个直观的了解。以下是将四种光学组件和激光驱动飞秒x射线源耦合，然后进行了对比。四种光学组件在聚焦和离焦位置的光斑：激光参数：800nm/1khz/5mj/45fs源尺寸：10um 打靶产额：4*109 photons/s/sr这是四种组件的理论放大倍率和实测聚焦光斑的对比。可以看到：弯晶和多层膜的工艺控制精度很高，实测光斑和理论值比较接近。而毛细管的大光斑并不是工艺精度的误差，而是反射型器件的色差导致的，不同能量的光都会对聚焦光斑有贡献，导致光斑较大。而各种组件的工艺误差，导致的强度不均匀分布，则是在离焦位置处的光斑中得到较为明显的体现。ge(444)双曲弯晶多层膜镜片单毛细管多毛细管放大倍率1270.7收集立体角 (sr)+---++反射率--+++-有效立体角 (sr)---+++1维会聚角 (deg)+---++耦合输出通量(ph/s)---+++聚焦尺寸 (μm)2332155105光谱纯度好好差差时间展宽 (fs)++++--激光参数：800nm/1khz/5mj/45fs打靶产额：4*109 photons/s/sr等级: ++ + - --利用针孔+sdd，在单光子条件下，测量有无光学组件时的强度和能谱，可以推演出相应的技术参数。这里我们直接给出了核心参数的总结对比。其中，大多数用户最为关注，同时也是对于实验最为重要的，主要是有效立体角、输出光通量、光谱纯度和时间展宽。可以看到：典型的有效收集立体角在-4、-5sr的水平，而在样品上的输出光通量在5-6次方每秒这样的水平。但是需要指出的是：毛细管并不具备单色的能力，虽然有效立体角大，但输出的是复色光。对于时间展宽的比较，很难通过实验手段获得测量精度在几十到百飞秒水平的结果，所以主要通过理论分析和计算来获得。对于同为衍射型组件的ge(444)双曲弯晶和多层膜镜片，光程差引入项主要是x光在组件内的贯穿深度。对于ge(444)，8kev对应的布拉格角约为70度，x光的衰减长度约为28um，对应的时间展宽约90fs。对于多层膜镜片，因为它属于掠入射型的衍射组件，x光的衰减长度在um量级，对应的时间展宽甚至可以到10fs水平，因此这里的数据相对比较保守的。而对于毛细管这种反射型器件，光程差引入项主要是毛细管的长度差。对于单毛细管，光程差在10fs水平，对于多毛细管，位于中心区域和边缘的子毛细管长度是有较大的差异的，光程差可达ps水平。小结1. 弯晶：单色性好、时间展宽较小、有效立体角小、输出通量低；2. 多层膜：单色性好、时间展宽较小、有效立体角大、kα输出通量高；3. 单毛细管：复色、时间展宽很小、有效立体角大、复色光通量高；4. 多毛细管：复色、时间展宽较大、有效立体角最大、复色光通量最高。每一种光学组件都有其适用的场景，对于非单色的超快应用，如超快荧光、吸收谱，毛细管可能更为合适，而对于追求单色的超快应用，如超快衍射，多层膜是比较好的选择，兼顾了单色性、时间展宽和有效立体角（输出通量）三个核心指标！如果您有任何问题，欢迎联系我们进行交流和探讨。北京众星联恒科技有限公司致力于为广大科研用户提供专业的x射线产品及解决方案服务！

石墨烯被誉为“黑金”，轻得像空气，却又硬得像钢铁。和熟知的石墨棒、铅笔芯一样，石墨烯由碳原子组成。作为高端碳家族的新材料，石墨烯是电子产品材料绝 佳选择，是目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，可用于航空航天、军事高精尖领域，是名副其实的“新材料之 王”。石墨烯（Graphene）是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革 命性的材料。2004 年, 英国曼彻斯特大学的 Geim 和 Novoselov 等使用胶带剥离技术, 才首次成功地制备出了单层石墨烯。自石墨烯被发现以来, 拉曼光谱技术成为石墨烯研究领域中一项重中之重的实验手段。拉曼光谱是一种快速无损的表征材料晶体结构、电子能带结构、声子能量色散和电子-声子耦合的重要的技术手段。拉曼光谱在石墨烯的层数表征方面具有独特的优势, 完美的拉曼峰是判定单层石墨烯简单而有效的方法, 而多层石墨烯由于电子能带结构发生裂分使其拉曼峰可以拟合为多个洛伦兹峰的叠加, 拉曼峰与石墨烯的电子能带结构密切相关。因此，拉曼光谱是测定石墨烯的掺杂类型和掺杂浓度的有效手段。拉曼光谱基于石墨烯溶液实测全过程根据客户要求，测试样品测试对象：石墨烯溶液测试目的：测试在一定条件下石墨烯溶液的拉曼谱图测试工具：奥谱天成手持拉曼ATR6600和显微拉曼光谱仪ATR8300-532/633检测流程：将石墨烯溶液由塑料试剂管转移到玻璃样品瓶，用手持拉曼ATR6600尝试测试；用滴管将石墨烯溶液吸出第 一滴在基片上，尝试液体状态时用ATR8300-633测试；石墨烯溶液干燥后又用ATR8300-633、ATR8300-532测试一次。用ATR6600进行石墨烯溶液测试：激发时间1000ms，激光功率30mw手持拉曼ATR6600石墨烯溶液拉曼谱图测试结果分析：由ATR6600测试的拉曼谱图可以看出，特征峰在波长1300cm-1，强度1000左右；1600cm-1，强度750左右。分辨特征信号明显，可判断为石墨烯。用ATR8300-633进行石墨烯溶液干燥前后测试1、石墨烯溶液 激发时间10000ms 激发功率28mw 无基线校正显微拉曼ATR8300-633石墨烯溶液拉曼谱图2、干燥后的样品石墨烯 激发时间10000ms 激发功率28mw 无基线校正显微拉曼ATR8300-633石墨烯干燥后拉曼谱图测试结果分析：可以看到本次测试的拉曼谱图结果在1350cm-1，1600cm-1波段左右有明显的分辨特征信号，强度在一千、九百上下，无论是液体状态下还是固体状态下，测试结果相似，影响不大，没什么区别，测试结果可靠，可判断为石墨烯。用ATR8300-532进行石墨烯溶液干燥后测试干燥后的样品石墨烯 激发时间10000ms 激发功率30mw 基线校正显微拉曼ATR8300-532石墨烯溶液拉曼谱图测试结果分析：可以看到本次测试的拉曼谱图结果在1343cm-1，1600cm-1波段左右有明显的分辨特征信号，强度在一千五、一千二上下，测试结果可靠，可判断为石墨烯。在石墨烯的拉曼光谱测试研究中，拉曼光谱用来测定石墨烯具有一定的优越性，能够无损快速、且较少干扰因素的情况下，获得石墨烯的拉曼谱图，从而实现快速鉴定。石墨烯拉曼光谱的研究还有很大的研究发展空间，如果您对石墨烯拉曼光谱研究有兴趣、有经验，欢迎来共同探讨学习。

2021年全国两会，政府工作报告将“扎实做好碳达峰、碳中和各项工作”列为重点工作之一。报告指出，制定2030年前碳排放达峰行动方案，优化产业结构和能源结构，大力发展新能源。石墨烯作为新型碳材料中的“王者”，在实现碳中和的主要技术方向中均有应用潜力，在上海、浙江、山西等省“十四五”规划中均被重点提及、加快发展。业内认为，除石墨烯电池等趋于成熟的商业应用外，石墨烯在建筑节能、碳捕集、二氧化碳资源化利用等方面应用前景广阔。随着碳中和战略的实施，石墨烯产业有望迎来发展机遇。助力碳中和，石墨烯究竟该怎么用？本文特列举石墨烯在碳捕集、二氧化碳资源化利用等方面的研究成果，以飨读者，并附“石墨烯检测技术及应用进展”主题网络研讨会参会福利。 变废为宝， CO2也可以制备石墨烯！ 2019年7月，据德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）官网报道，该校研究人员开发了一种利用二氧化碳直接合成石墨烯的方法，目标是电池和电子产品的潜在应用。他们采用一种全新的工艺，在高达1000℃的温度下，将温室气体二氧化碳与氢气一起，借助经过特殊处理的活性催化金属表面，最终直接转化形成石墨烯。从事本项研究的负责人马里奥• 鲁本教授表示：“如果金属活性催化表面中形成了适当的铜和钯平衡，则二氧化碳转化为石墨烯的过程将直接在简单的单步过程中进行。” 在更进一步的实验中，研究人员生产了具有多层厚度的石墨烯，可在电池、电子元器件或过滤膜材料中取得应用。（DOI: 10.1002/cssc.201901404 ）二氧化碳（红-黑）和氢气（灰）在铜-钯表面上经过催化反应转变成石墨烯（黑）（图片来源：E. Moreno-Pineda, KIT）石墨烯高效过滤器将碳捕获成本降低2-4倍洛桑联邦理工学院化学科学与工程学院的 Kumar Varoon Agrawal 教授团队采用石墨烯材料研制出新型的二氧化碳过滤器。该团队在石墨烯上制备了二氧化碳分子大小的小孔，这些小孔使得二氧化碳能够通过，同时阻挡了氮气等其他比二氧化碳分子大的气体，可以将二氧化碳从工业废气的混合气体中分离出来。这种石墨烯过滤器不但非常薄，而且在效率和速度方面也远超市面上的大多数过滤器。Agrawal 教授预计这项技术将使碳捕获成本降低近 30 美元/吨二氧化碳，而其他商业技术的成本要比这高出 2 到 4 倍。（DOI: 10.1126/sciadv.abf0116）石墨烯二氧化碳过滤器示意（来源：EPFL）瑞典研究者利用石墨烯+太阳能 将二氧化碳转化为燃料 2020年7月，据外媒报道，瑞典林雪平大学的研究人员正尝试利用太阳能，将温室气体二氧化碳转化为燃料。之后的研究结果也表明，利用其技术是有可能用二氧化碳和水选择性地生产出甲烷、一氧化碳或甲酸。研究人员将石墨烯和立方碳化硅结合，研发了一种石墨烯基光电极，可以保持立方碳化硅捕获阳光能量并制造出电荷载体的能力。石墨烯在保护碳化硅的同时，还起到了作为导电透明层的作用。石墨烯基光电极可以与铜、锌或铋等各种金属制成的阴极结合，通过选择合适的金属阴极，二氧化碳和水可以选择性地形成不同的化合物，如甲烷、一氧化碳和甲酸。甲烷可用作燃料，用于适用气体燃料的车辆，而一氧化碳和甲酸可以被进一步加工成为燃料，用于工业。（DOI：10.1021 / acsnano.0c00986，）石墨烯检测技术及应用进展为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09:30-10:00石墨烯的原子尺度表征与环保应用进展孙立涛（东南大学）10:00-10:30石墨膜导热测试技巧方法李金艳（德国耐驰仪器制造有限公司）10:30-11:00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）11:00-11:30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）11:30-14:00午休14:00-14:30石墨烯基材料的拉曼光谱研究谭平恒（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）15:00-15:30二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）15:30-16:00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）16:00-16:30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

我国石墨烯产业已经发展了十余年，期间在政府部门、生产企业、科研院所、相关高校等通力合作下，产业规模、企业数量均呈现跨越式增长，并在部分领域初步实现产业化应用，产业化进程居全球前列。作为一种前沿新材料，在短时间内取得如此好的成效实属不易。在经历了前期的萌芽期和发展期后，目前国内石墨烯产业发展进入新阶段，尚处于产业化突破前期、不具备大规模工业化生产能力逐渐成为共识，产业发展也面临一些新挑战。我国石墨烯产业发展的新趋势从技术驱动到应用驱动，产业发展迎来新阶段。石墨烯作为技术密集型的前沿新材料，前期产业培育以技术驱动为主，以“从上至下”的产业链发展模式为主，需石墨烯企业自行寻找和开拓市场，不利于产业的快速健康发展。近年来，随着石墨烯制备技术成熟化和产业应用多元化，石墨烯与各领域的融合持续深化，逐步由技术驱动转变为应用驱动。突如其来的新冠疫情，更是激发了石墨烯在医疗健康领域的新应用，开辟了新市场。此外，终端应用企业的参与度也越来越高，如华为、小米纷纷在新机应用石墨烯散热膜。从统筹发展到特色聚焦，区域格局逐步集聚化。随着石墨烯产业发展逐步趋于理性，尤其各地石墨烯制造业创新中心建设稳步推进，更注重特色化发展，有望形成定位清晰、各具特色、协同协调的区域发展格局。如江苏省重点打造以新一代信息技术、航空航天装备、海洋工程和高技术船舶、节能环保、新能源等关键领域需求为导向的石墨烯产业链；浙江省重点发展面向电动汽车、海洋工程、功能复合材料、柔性电子、电子信息等领域应用需求的石墨烯产业链；北京市依托科研优势，重点攻克石墨烯批量化制备及应用的通用技术；广东省则着重发展石墨烯新型显示等产业集群。从简单相加到深度相融，相关产业发展协同化。石墨烯属于技术、人才和资金高度密集型的前沿新材料产业，只有跟下游应用深度融合，完全打开应用市场才能快速发展。石墨烯不仅与纺织鞋服、功能涂料、改性橡胶等传统产业发展关系密切，同时与电子信息、航空航天、新能源、生物医药等战略性新兴产业的发展也紧密相关，形成“共生共融、协同发展”的产业生态。“十四五”期间，我国石墨烯产业将进一步发挥改造提升传统产业、培育新兴产业的功能，与相关产业深度融合发展，加速推动我国石墨烯产业化进程，催生一批高速增长的石墨烯企业。我国石墨烯产业发展的新进展顶层设计持续完善，多层次多维度支持石墨烯产业化。在国家和地方的一系列政策支持下，我国石墨烯产业化进展迅速。国家层面，相继实施《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》、《“十三五”材料领域科技创新专项规划》和《新材料产业发展指南》等规划，通过创建示范园区和制造业创新中心、搭建公共服务平台、开展首批次应用示范和保险补偿等措施，推动石墨烯迈进产业化初期。地方层面，“十三五”期间，有27个省（自治区、直辖市）出台石墨烯专项政策或将其列为规划发展重点，特别地，北京、山东、江苏、福建等地还成立省级石墨烯产业联盟或领导小组，大力扶持当地石墨烯产业发展。2021年，各地陆续发布“十四五”规划纲要，仍有17个省（自治区、直辖市）将石墨烯列为“十四五”时期重点发展的前沿新材料，产业发展前景依旧向好。企业数量快速增长，涌现出一批优势石墨烯企业。我国石墨烯企业数量呈快速增长态势，近年来，“炒作”热度下降，石墨烯市场趋于冷静，但注册企业数量仍在不断增加，产业规模持续扩大。从全国看，2021年石墨烯相关企业注册量为13279家，同比增长79.25%。截至2022年4月，在我国工商部门注册的经营范围内有石墨烯相关业务的企业数量已达35000多家。从地区看，企业数量排名前五的分别是广东、山东、江苏、浙江和福建等五省，均属东部沿海地区，企业总数占全国总量的50%以上，已形成具有一定规模的石墨烯产业集群，其余地区的石墨烯企业分布相对较为分散。从企业规模看，石墨烯企业以中小微初创企业为主，但也涌现出一批包括贝特瑞、方大炭素、银基烯碳、碳元科技、沃特新材料、常州二维碳素等的石墨烯上市企业，引领石墨烯产业快速发展。上下游合作不断加强，部分领域产业化应用快速推广。随着创新能力持续提高、上下游企业合作不断加强。据知网数据，2021年我国石墨烯相关专利申请数量达11123件，有力推动科研成果向市场应用高效转化。工业领域，石墨烯产业化应用主要集中在增强复合材料、储能、热管理、电子等方面，如厦门捌斗新材的石墨烯改性防腐涂料顺利通过五缘湾大桥防腐改造示范性工程验收；宁波中车新能源推出的大容量石墨烯/活性炭复合电极超级电容器和石墨烯纳米混合型超级电容器已成功应用于城市电车。消费领域，石墨烯产业化应用主要在散热、智能可穿戴、理疗、照明等方面，如烯旺科技开发的大型石墨烯医疗设备“频谱光波治疗房”于2021年12月正式获得二类医疗器械注册审批并已进入医疗单位。高烯科技的单层石墨烯康护纤维是目前全球首个通过IGCC认证的单层氧化石墨烯改性功能纤维，制成的织品自带康护性能。我国石墨烯产业发展面临的新挑战关键技术仍未突破，制约下游大规模应用。通过不断创新研发，我国在大面积单晶石墨烯、多层石墨烯粉体规模制备等方面取得了重大进展，但仍存在基础物性研究不透彻、绿色低成本的规模化生产技术不成熟、“杀手锏”级应用开发不足等技术瓶颈。从生产端看，现阶段国内已建成石墨烯粉体及薄膜材料生产线并基本实现量产，但普遍存在产品尺寸及层数不均匀、质量不稳定等问题，各项性能指标远低于实验室水平，难以满足大规模工业化应用需求。从应用端看，石墨烯粉体主要用作添加剂以增强基体材料的相关性能，与基材间的相容性和均匀分散性是制约其大规模应用一大难点；石墨烯薄膜主要用于柔性显示、电子/光电子领域，也面临大规模均匀制备技术不成熟、工艺复杂和成本高等难题。企业规模总体偏小，石墨烯产业竞争力不足。我国石墨烯生产和应用的主力军是中小型企业，近半数属于小微型初创企业，技术成熟、盈利性好、发展稳定的企业微乎其微，一些上市公司虽通过控股或参股方式参与其中，但并未将石墨烯当作主营业务进行实质投入，缺乏行业龙头引领和带动导致石墨烯产业竞争力不足。一方面，小企业抵抗风险能力整体较弱，在“大浪淘沙”的市场竞争中极易消没，目前存续时间在10年以上的石墨烯企业占比仅为5%。另一方面，小企业研发能力弱、创新动力不足，大部分没有配套设施和专职研发团队，多采用合作或委托的研发模式，主要涉足研发门槛低、对石墨烯品质要求不高、产品附加值低的应用领域，如复合材料、大健康、涂料等，高端前沿应用领域关注不够。高端应用需求日益增长，发展压力逐渐显现。现阶段，我国石墨烯产业发展进入“平台期”，产业链高端化发展迫在眉睫，企业承压不断提高。一方面，石墨烯多被用作“工业味精”，无法真正体现其作为高品质、高性能材料的价值，还没有成熟的、高端的商业化石墨烯产品问世。石墨烯巨大潜质与尚未全面打开的下游应用需求形成强烈反差，高端化才是石墨烯产业的发展重点和方向，对人才、科技和资金等要求也随之提高，无形中增加发展压力。另一方面，石墨烯产业迟迟未实现大规模商业化应用，炒作热情逐渐消退，市场开始趋于理性，相关投资也变得更加谨慎；叠加当前宏观经济下行压力大，国内、国际环境不确定性显著增多，企业生产和进出口均受不同程度的影响，石墨烯企业面临资金短缺、供应链安全等问题。措施建议聚焦重点和前沿领域，突破原创型科技成果。一是统筹协调国家重点实验室、科研机构、高水平研究型大学和科技领军企业等科研力量，立足重大平台和科研团队基础，以重大科技项目为依托，在石墨烯规模化高质量制备和下游高端应用等关键核心技术开展重点攻关。二是聚焦国际研发前沿和我国战略性新兴产业需求，加快石墨烯核心技术、专利和产品在新一代信息技术、航空航天、新能源等重点领域的布局，推动一批重大原创科技成果突破和转化，提高自主创新能力，推动我国石墨烯产业实现从“跟跑”到“领跑”的跨越式转变。注重优质企业培育，提升石墨烯产业核心竞争力。一是针对不同产业链环节和成长阶段的企业，开展分级分类、精准施策，提高重点新材料首批次应用保险补偿等政策在石墨烯领域的实施力度。二是鼓励国有企业、行业龙头企业参与石墨烯产业，开展石墨烯关键技术研发和重点应用示范，培育一批掌握核心技术、具备国际竞争力的领军企业。三是支持中小企业聚焦主业、做精主业，提高细分领域的专业化水平，培育一批石墨烯专精特新“小巨人”和制造业单项冠军企业，不断增强我国石墨烯产业核心竞争力和自主可控力。加强资源整合，打造特色优势石墨烯产业示范基地。一是整合全国石墨烯产业链上下游、产学研用等优势资源，鼓励重点企业联合高校和科研院所，协同推进设施、人才、成果等要素优化配置，针对石墨烯产业核心环节和关键技术开展深度合作，打造一批石墨烯规模化生产和高端化应用示范线。二是整合各地石墨烯产业园区资源，发挥园区示范效应，继续完善园区配套，进一步打造公共服务平台等产业载体，针对高端化应用需求，引导建立一批石墨烯新材料产业应用示范基地，提高石墨烯产业综合竞争力。加强区域联动，促进产业特色化、高端化、差异化发展。一是细化区域内分工，鼓励江苏、浙江、广东、山东、北京等重点地区，充分利用现有产业基础、品牌、市场、资本、人才、研发等资源优势，推动各地石墨烯产业集约集聚集群发展，打造石墨烯特色区域产业链。二是加强区域间合作，发挥国家关于京津冀协同发展、长江经济带、长三角一体化、粤港澳大湾区等一系列重大区域发展战略布局，以产业链和重点项目合作为牵引，推动区域间资源协同共享，构建全国“一盘棋”石墨烯产业发展格局，加快推动石墨烯产业向特色化、高端化、差异化方向发展。

近日，吉林大学邹猛教授、张伟教授、李秀娟正高级工程师及中国科学院金属研究所任文才研究员等，通过对嫦娥五号钻采岩屑月壤（No. CE5Z0806YJYX004）的观察分析，首次发现天然形成的少层石墨烯。相关研究为月球的地质活动和演变历史以及月球的环境特点提供了新见解，拓宽了人们对月壤复杂矿物组成的认知，为月球的原位资源利用提供了重要信息及线索。研究成果以“Discovery of Natural Few-Layer Graphene on the Moon”为题，于6月17日发表在National Science Review期刊上。 CE-5月壤样品中天然石墨烯的先进电子显微结构表征和谱学分析。（图片来源：吉林大学）过往报道指出，通过观测月球的全球碳离子通量，科研人员认为月球上存在原生碳，利用月球样品的表征研究来揭示原生碳相的晶体结构是可行的。石墨烯以其新奇的物理现象和非凡的特性，在包括行星和空间科学在内的广泛领域发挥着越来越重要的作用。据估计，星际碳总量中约1.9%是以石墨烯的形式存在，其形态和性质由特定的形成过程决定，因此天然石墨烯的组成和结构特征将为星体的地质演化和月球的原位资源利用提供重要的参考和信息。少层石墨烯在月球上可能形成过程。（图片来源：吉林大学）在该项研究中，科研团队采用电镜—拉曼联用技术，在月壤样品含碳量相对较高的位置采集了拉曼光谱，确认了月壤样品中石墨碳的结晶质量相对较高。值得注意的是，月壤样品中存在碳的区域含有铁化合物，这与石墨烯的形成密切相关。通过扫描电子显微成像、透射电子显微成像、冷冻条件下球差电镜的高角环形暗场像和高分辨像、能谱和电子能量损失谱、飞行二次质谱等多种表征技术的综合运用及测试结果的多方面严谨比对分析，探究并证实了月壤样品中检测到的石墨碳是少层石墨烯（2—7层），并提出少层石墨烯和石墨碳的形成可能源于太阳风和月球早期的火山喷发共同诱导的矿物催化进程。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)张广宇研究组与高鸿钧研究组、王恩哥研究组合作，利用自制的远程电感耦合等离子体系统，首次成功实现了石墨烯的可控各向异性刻蚀。这种基于石墨烯的各向异性刻蚀技术是我国科学家在该研究领域中独具特色的工作，相关结果发表在【Advanced Materials (2010)】，并得到了审稿人的高度评价。 　　石墨烯(graphene)，是继富勒烯、碳纳米管之后被科学家们发现的又一种新的碳元素结构形态。作为一种室温下稳定存在的二维量子体系，石墨烯打破了凝聚态物理的理论，推翻了人们以前普遍接受的严格的二维晶体无法在有限的温度下存在的科学预言，对凝聚态物理的发展产生了重大的影响。不仅如此，石墨烯表现出来的一系列独特的电学输运特性、光学耦合和其他新奇的物理特性，以及利于剪裁加工的二维特性，使其在分子电子学、微纳米器件、超高速计算机芯片、高转换效率电池、固态气敏传感器、太赫兹学等领域可能有重要的应用前景。 　　然而，由于石墨烯的导带与价带之间没有能隙，做成晶体管器件时，很难实现开关特性，而且若要运用于现在普遍使用的逻辑电路，其金属性也是一个巨大的难题。如何在石墨烯中引入能隙，成为人们关注的热点问题，这也为石墨烯的制备提出了新的挑战。一般引入能隙的手段主要有：(1) 利用对称性破缺场或相互作用等使朗道能级发生劈裂，在导带与价带之间引入能隙。这主要通过掺杂、外加电场、化学势场等方式在双层石墨烯中引入对称破缺，实现人工调制能隙。(2) 利用量子限域效应和边缘效应，通过形成石墨烯纳米结构(如 nanoribbons纳米带)引入能隙，通过调节带宽，可以实现对带隙宽度的调节。(3) 利用化学气相沉积法掺杂(如B、N等)产生能隙，通过调节掺杂程度可实现对能隙的调节。(4)利用基底作用诱导(如SiC基底上的外延石墨烯)产生能隙，通过调节基底的作用程度可实现对能隙的调节。此前，张广宇研究组与高鸿钧研究组和陈小龙研究组合作，利用拉曼光谱学的手段，系统地研究了外延石墨烯与碳化硅基底之间的电荷转移机制，为未来这类样品制作电子学器件提供了技术参考依据。相关结果发表在【J. Appl. Phys. 107, 034305, (2010)】。 　　基于已有的实验结果，大家一致认为这四种方法中最可行、最具应用价值的当属石墨烯的纳米结构。目前，石墨烯纳米结构的制备技术和电学性能的研究都有飞速的发展，但要实现大规模集成石墨烯纳米结构器件的应用，如何利用现有的微纳加工技术获得边缘可控的石墨烯纳米结构是亟待解决的难题。虽然国际上已有少数研究组利用金属粒子催化加氢反应或利用SiO2衬底与石墨烯的选择性反应来实现石墨烯选择性的各向异性刻蚀，但这些方法的刻蚀速率不可控，刻蚀取向不确定，且无法与传统的微纳加工技术兼容，从而无法实现石墨烯纳米结构器件的集成加工。 　　张广宇等人此次实现的这种基于氢等离子体的干法刻蚀技术受等离子体强度和样品温度的调控，刻蚀速率可以精确控制在几个nm/min，且不会引入新的缺陷。由于石墨烯特殊的六角对称性，这种方法可以得到近原子级规则的Zigzag边缘结构。他们还利用这种干法刻蚀技术结合电子束光刻技术首次实现了对石墨烯纳米结构的精确加工和剪裁。这种技术的优势在于可以对石墨烯结构进行原子级尺度加工和对于石墨烯质量的保持性。这种可以沿固定晶向，得到固定的边缘结构的加工剪裁石墨烯的技术是传统技术所无法实现的，为未来大规模精确控制、加工具有确定晶向和边缘结构的石墨烯纳米结构奠定了技术基础。 　　这项工作得到了中科院“百人计划”、国家自然科学基金和“973”项目的支持。 　　 　　图1新鲜解理的石墨(a)表面光滑台阶清晰可见，不同功率。(b)50W和(c)100W氢等离子体刻蚀过的石墨表面，显示出了形状规则的正六边形孔。(d)刻蚀速率随温度的变化关系。(e)刻蚀速率随时间的变化关系，证明刻蚀速率可精确稳定的控制在几纳米/分钟。 　　 　　图2 同样的各向异性刻蚀效应在机械剥离的石墨烯中也如此。氢等离子体刻蚀过的单层(a)、两层(b)及多层(c)石墨烯，正六边形孔洞清晰的形成于缺陷处。(d)单层及两层石墨烯刻蚀速率随温度的变化关系。(e)拉曼光谱表征，几乎看不到代表缺陷态的拉曼D峰，证明石墨烯的晶体质量并没有被温和的氢等离子体破坏。 　　 　　图3 氢等离子体刻蚀出的单层正六边形孔洞边缘的扫描隧道显微镜成像(a)恒流模式高度像，(b)原子分辨像，(c)二维傅里叶变换图，显示出刻蚀得到的近原子级规则的边缘与zigzag取向平行，且在边缘处观察到了驻波。(d)对应的结构示意图。 　　 　　图4 利用电子束曝光与各向异性刻蚀方法相结合制备具有特定取向的sub-20nm石墨烯纳米带的流程图(a)。具体过程如图(b)电子束曝光和氧等离子体刻蚀得到的起始宽度为120nm的石墨烯条带，经过氢等离子体各向异性刻蚀之后细化到sub-20nm的石墨烯纳米带如图(c)。(d)石墨烯纳米带场效应晶体管器件的结构示意图，石墨烯为接触电极，(e)不同宽度的石墨烯纳米带的器件，(f)对应的转移特性曲线，证明8nm宽的石墨烯纳米带能在室温下实现2个数量级的开关比。

【科学背景】分数量子霍尔效应是一种在强磁场下发生的量子相变，其中电子在二维材料中以特殊的方式组织，表现出量子化的电导特性。此效应下的准粒子称为任何子，它们具有分数量子电荷，并在交换位置时显示出分数统计，这为研究量子物理的基本问题提供了独特的视角。阿贝尔任何子表现出简单的分数统计，而非阿贝尔任何子则具有更复杂的交换行为，这些特性可以通过量子干涉实验进行探测。然而，尽管已有大量研究探索了量子霍尔状态下的电子干涉，实际操作中仍存在一些问题。例如，传统的GaAs/AlGaAs基干涉仪在调节干涉状态和处理库伦相互作用方面存在局限，这限制了对分数量子霍尔态的深入研究。为了解决这些问题，研究者们将目光转向了具有更高调节能力的石墨烯基干涉仪。双层石墨烯的高迁移率和电气调节特性使得其在分数量子霍尔效应研究中表现出色。近期，以色列魏茨曼研究所Yuval Ronen教授团队在双层石墨烯平台上成功构建了Fabry-Pérot干涉仪（FPI），该装置能够在单一Landau能级内通过精确的电静态调节动态地切换干涉状态，从库伦主导状态到Aharonov-Bohm干涉状态。本研究解决了在分数量子霍尔态下量子干涉的具体实现问题。通过在双层石墨烯基FPI中进行实验，作者能够在填充因子ν=1/3的分数量子霍尔态下观察到纯净的Aharonov-Bohm干涉模式。当电荷密度和磁场变化时，作者不仅观察到常数填充条件下的干涉现象，还在常数密度条件下发现了相位跳跃。这些跳跃表现出准粒子在干涉回路中积累的相位与回路内电子数的关系，验证了e/3准粒子的分数统计特性。【科学亮点】（1）实验首次构建并测量了基于范德华力的双层石墨烯Fabry-Pérot干涉仪（FPI），在分数量子霍尔效应（FQHE）中实现了从库伦主导到Aharonov-Bohm（AB）干涉的动态调节。该装置利用高迁移率双层石墨烯导电层，通过精确的电静态调节，允许在单一Landau能级内实现这一调节。（2）实验通过调节磁场和电子密度，探测了填充因子ν=1/3的分数量子霍尔态下的AB干涉现象。在保持常数填充因子的情况下，作者观察到纯净的AB干涉模式，确认了准粒子电荷为e/3。（3）当实验从常数填充的条件转向常数密度的条件时，干涉模式中出现了相位跳跃的演变。这些相位跳跃对应于准粒子在干涉回路中添加或去除的离散事件。（4）作者还发现，干涉准粒子所积累的相位可以表示为2π〈N〉，其中〈N〉为回路内的电子数。这个观察验证了准粒子遵循分数统计的预期，并为研究阿贝尔任何子提供了新的平台。【科学图文】图1： 基于双层石墨烯的法布里-珀罗干涉仪Fabry–Pérot interferometer，FPI。图2：可调谐整数量子霍尔效应 integer quantum Hall effect，IQHE干涉态，从库仑作用主导Coulomb-dominated，CD到阿哈勒诺夫-玻姆Aharonov–Bohm，AB态。图3：在1/3分数填充处的AB干涉。图4：恒定填充和恒定密度之间可调性。【科学结论】本文的研究通过在高迁移率双层石墨烯的基础上构建并测量范德华力Fabry-Pérot干涉仪（FPI），作者成功地在一个Landau能级内动态调节了从库伦主导到Aharonov-Bohm（AB）干涉的状态。这一实验不仅验证了在填充因子ν=1/3下的Aharonov-Bohm干涉模式，还揭示了在常数填充条件下的纯净干涉图样和在常数密度条件下的相位跳跃现象。这些发现表明，干涉准粒子所积累的相位可以被理解为2π〈N〉，其中〈N〉为回路内电子数，这为理解准粒子的分数统计特性提供了新的视角。通过这种精确的调节能力和测量手段，作者为研究阿贝尔任何子和探索更复杂的非阿贝尔统计奠定了坚实的基础。双层石墨烯所展示的偶数分母分数量子霍尔态的潜力，预示着未来在这一领域的广泛应用前景，为进一步的研究和技术发展提供了有力的支持。参考文献：Kim, J., Dev, H., Kumar, R. et al. Aharonov–Bohm interference and statistical phase-jump evolution in fractional quantum Hall states in bilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01751-w

【科学背景】分数量子霍尔效应是一种在强磁场下发生的量子相变，其中电子在二维材料中以特殊的方式组织，表现出量子化的电导特性。此效应下的准粒子称为任何子，它们具有分数量子电荷，并在交换位置时显示出分数统计，这为研究量子物理的基本问题提供了独特的视角。阿贝尔任何子表现出简单的分数统计，而非阿贝尔任何子则具有更复杂的交换行为，这些特性可以通过量子干涉实验进行探测。然而，尽管已有大量研究探索了量子霍尔状态下的电子干涉，实际操作中仍存在一些问题。例如，传统的GaAs/AlGaAs基干涉仪在调节干涉状态和处理库伦相互作用方面存在局限，这限制了对分数量子霍尔态的深入研究。为了解决这些问题，研究者们将目光转向了具有更高调节能力的石墨烯基干涉仪。双层石墨烯的高迁移率和电气调节特性使得其在分数量子霍尔效应研究中表现出色。近期，以色列魏茨曼研究所Yuval Ronen教授团队在双层石墨烯平台上成功构建了Fabry-Pérot干涉仪（FPI），该装置能够在单一Landau能级内通过精确的电静态调节动态地切换干涉状态，从库伦主导状态到Aharonov-Bohm干涉状态。本研究解决了在分数量子霍尔态下量子干涉的具体实现问题。通过在双层石墨烯基FPI中进行实验，作者能够在填充因子ν=1/3的分数量子霍尔态下观察到纯净的Aharonov-Bohm干涉模式。当电荷密度和磁场变化时，作者不仅观察到常数填充条件下的干涉现象，还在常数密度条件下发现了相位跳跃。这些跳跃表现出准粒子在干涉回路中积累的相位与回路内电子数的关系，验证了e/3准粒子的分数统计特性。【科学亮点】（1）实验首次构建并测量了基于范德华力的双层石墨烯Fabry-Pérot干涉仪（FPI），在分数量子霍尔效应（FQHE）中实现了从库伦主导到Aharonov-Bohm（AB）干涉的动态调节。该装置利用高迁移率双层石墨烯导电层，通过精确的电静态调节，允许在单一Landau能级内实现这一调节。（2）实验通过调节磁场和电子密度，探测了填充因子ν=1/3的分数量子霍尔态下的AB干涉现象。在保持常数填充因子的情况下，作者观察到纯净的AB干涉模式，确认了准粒子电荷为e/3。（3）当实验从常数填充的条件转向常数密度的条件时，干涉模式中出现了相位跳跃的演变。这些相位跳跃对应于准粒子在干涉回路中添加或去除的离散事件。（4）作者还发现，干涉准粒子所积累的相位可以表示为2π〈N〉，其中〈N〉为回路内的电子数。这个观察验证了准粒子遵循分数统计的预期，并为研究阿贝尔任何子提供了新的平台。【科学图文】图1： 基于双层石墨烯的法布里-珀罗干涉仪Fabry–Pérot interferometer，FPI。图2：可调谐整数量子霍尔效应 integer quantum Hall effect，IQHE干涉态，从库仑作用主导Coulomb-dominated，CD到阿哈勒诺夫-玻姆Aharonov–Bohm，AB态。图3：在1/3分数填充处的AB干涉。图4：恒定填充和恒定密度之间可调性。【科学结论】本文的研究通过在高迁移率双层石墨烯的基础上构建并测量范德华力Fabry-Pérot干涉仪（FPI），作者成功地在一个Landau能级内动态调节了从库伦主导到Aharonov-Bohm（AB）干涉的状态。这一实验不仅验证了在填充因子ν=1/3下的Aharonov-Bohm干涉模式，还揭示了在常数填充条件下的纯净干涉图样和在常数密度条件下的相位跳跃现象。这些发现表明，干涉准粒子所积累的相位可以被理解为2π〈N〉，其中〈N〉为回路内电子数，这为理解准粒子的分数统计特性提供了新的视角。通过这种精确的调节能力和测量手段，作者为研究阿贝尔任何子和探索更复杂的非阿贝尔统计奠定了坚实的基础。双层石墨烯所展示的偶数分母分数量子霍尔态的潜力，预示着未来在这一领域的广泛应用前景，为进一步的研究和技术发展提供了有力的支持。参考文献：Kim, J., Dev, H., Kumar, R. et al. Aharonov–Bohm interference and statistical phase-jump evolution in fractional quantum Hall states in bilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01751-w