搞事情!2017年全球科学家在石墨烯领域有哪些进展?

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1.最新还原型氧化石墨烯转化技术 可用于晶体管和电子设备


北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了将带正电荷(p型)还原型氧化石墨烯(rGO)转化为带负电荷(n型)rGO的技术,获得表层为n型rGO层的晶片和其下方为p型rGO层的分层材料。两种类型相互接触形成的p-n结决定着晶体管的有用性。研制的分层材料可用于开发rGO基晶体管,还可以应用于电子设备。




2.新工艺用于批量化生产不可燃石墨烯膜


阿肯色大学的研究人员已研发出一种简单且可量化的工艺,能够将石墨烯氧化物转变为不可燃的、纸状石墨烯膜,并且可大规模生产。

石墨烯的极高易燃性已经成为限制其进一步发展和商业化的一大阻碍。然而,从燃料电池到太阳能电池再到超级电容器和传感器,这一新发现使得量产石墨烯和量产可用于提升大量产品性能的石墨烯膜成为了可能。

 



3.新制造方法可以“消除”石墨烯皱纹


制备纯石墨烯是相当困难的。传统制造方法往往产生皱纹,它会破坏电子的高速运行,极大地限制了石墨烯的电子性能。麻省理工学院的工程师找到一种方法可以让石墨烯减少皱纹,并消除出现的皱纹。该研究团队从一个原子级光滑的碳化硅晶片表面制造出单晶石墨烯,石墨烯产生的皱纹只有几个纳米,然后他们用一层很薄的镍剥离碳化硅晶片顶端的石墨烯。

 



4.石墨烯纳米带边缘结构的“七十二变”


ORNL和北卡罗来纳州立大学的科学家报道了首例没有金属底物生长石墨烯纳米带,新方法合成的窄条石墨烯是一种由单原子厚碳原子连接成的六边形的轻便坚固的结构。它们注入能够促进化学反应的电荷载体,促进聚合物前体转化为石墨烯纳米棒。在选定位置,这种新技术可以在具有不同电子特性的材料之间建立界面。这样的接口是从集成电路和晶体管到发光二极管和太阳能电池的半导体电子器件的基础。

 


李和同事们不借助金属基底制备出了石墨烯纳米带:通过注入载流子(电子或空穴),促进聚合物前体转化为石墨烯。李教授说:这意味着,我们已经拥有了在原子或分子水平上操纵反应的能力。

 



5.化学家利用木材制成激光诱导的石墨烯


莱斯大学的体育标志是一个由激光诱导的石墨烯镶嵌于大松木板上。莱斯大学的科学家使用工业激光加热木材,并将其转化为高导电石墨烯,打开了一个从非聚酰亚胺材料中合成激光诱导石墨烯的新途径。

与聚酰亚胺材料一样,该进程是使用标准工业激光在惰性气体或者氢气的保护下的室温和常压中进行。另外,改变激光的功率可以改变所诱导的石墨烯的化学成分和热稳定性。

 



6.可生产廉价半导体晶片的石墨烯“复印机”


据Nature报道,利用单原子的薄片石墨作为一种“复印机”,可以从下面的半导体晶片将复杂的结晶图案传送到相同材料构成的顶层。Kim表示,采用这项技术,制造商现在可以使用石墨烯作为中间层夹在晶片和半导体层之间,复制和粘贴晶片,然后从石墨烯表面剥离,并且可以重复利用晶圆。

未来,研究人员计划设计一个可重复使用的“母晶片”,其区域由不同的外来材料制成。以石墨烯为中介,希望能创造出多功能、高性能的设备。

 



7.二维铁磁性氧化石墨烯可通过范德华力聚集


Lawrence Berkeley国家实验室的研究人员已经成功证明了二维(2D)层状晶体包括石墨烯和硫化钼,可以通过范德华力聚集在一起,展现材料本身的铁磁性。这项发现对于实际应用有着深刻的影响,包括磁传感器和正在发展的电子信息编码技术。

电子设备和光学设备可能会逐步转向2D材料,因为这种材料更适合微型设备。二维材料的性质可以很容易地控制和调整,适于传感器和调制器。




8.石墨烯夹杂在超导体之间的奇异变化


麻省理工学院的物理学家发现:当石墨烯薄片与两种超导材料紧密接触时,它便可以继承一些材料的超导特性。研究发现,科学家构想的这一石墨烯平台不仅能够被用于探索外来粒子,也可以成为构建强大的、拥有防错技术的量子计算机的关键粒子。

Bretheau说:“有很多关于如何使用马约拉纳费米子粒子来构建强大的量子计算机的建议,上述粒子可能是制造拓扑量子计算机的基本砖块,它能够很好的防止错误的出现,我们的工作正是朝着这个方向迈出的坚实一步。”

 



9.乙烯经过一步步的高温工艺可生产出石墨烯!


科学家团队开发了一种从简单体——最小烯烃分子乙烯生产单层石墨烯的新方法。研究人员采用逐步加热达到更高温度的生产方法,克服了早期从碳氢化合物前体直接生产石墨烯的方法中所遇到的挑战。得到的石墨烯结构吸附在催化剂上。附于金属上可能是有用的,但如果附在其他物质上,就必须研究除去催化剂的方法。Landman补充道:“这是石墨烯的新途径,可能的技术应用还有待探索。”



 

10.氮掺杂石墨烯基体用于无枝晶锂金属阳极


Angewandte Chemie 国际版杂志报导了清华大学的研究人员提出的一种用于无枝晶锂金属阳极的氮掺杂石墨烯基体,这种石墨烯基体含有密集且均匀分布的亲锂官能团。由于具有亲锂性的含氮官能团,氮掺杂石墨烯基体可以调节锂电沉积的成核过程。所以,能获得无枝晶的锂金属沉积物。此外,该基体具有优异的电化学性能。




11.气体产生激光诱导石墨烯的超级特性


莱斯大学科学家发明了可以用于超级电容器等的激光诱导石墨烯(LIG),并且找到一种使海绵状石墨烯超疏水或超亲水的方法——LIG的薄片的表面取向与它与水的反应有很大关系,如果边缘更加暴露,它似乎是亲水性的;如果基面更暴露,它们表现为疏水性。Tour说:“之前,实验室也可以使石墨烯疏水或亲水,但它涉及湿化学或化学气相沉积工艺的多个步骤,目前,我们在一个自制的气氛室里用相对便宜的材料一步一步地做到这一点。

 



12.闪光处理石墨烯创造出微型水分控制机器人


吉林大学的研究人员创造出一个完全由水分控制的简单微型“机器人”——由相机闪光处理过的石墨烯氧化物制成,该团队制作出了一只四只脚爬行物,它的一根爪子会对空气湿度变化做出反应从而合拢。这项研究的首席研究员张永来表示:“这些机器人很简单,可以通过改变环境湿度来灵活操控。这种设计非常重要,因为移动、捕获与释放是自动化系统最基本的功能。”



13.基于石墨烯的非线性的量子电容器制造稳定量子位


在生产量子计算机的竞争中,许多项目正在寻求一种制造稳定量子位的方法,这通常需要能够在非常低的温度下运行的高度非线性非耗散元件。

为此,EPFL光子和量子测量实验室LPQM(STI / SB)的研究人员研发了一种基于石墨烯的非线性的量子电容器,这种电容器属于二维(2D)材料且可与超导电路的低温条件兼容。EPFL的LPQM,该设备可以显著改善量子信息的处理方式,同时也有其他潜在的应用。它可以用于创建非线性的太赫兹高频电路,或者用于混合器、放大器和光子之间的超强耦合。




14.超疏气的石墨烯纳米山丘直接肼燃料电池


在清洁能源领域中,肼类燃料电池技术具有很大的应用前景。研究人员利用垂直石墨烯的纳米山形态,以此来提供纳米级粗糙的超疏气电极表面,有效地解决了气泡在电极表面上积累的问题。通过化学气相沉积法等离子体增强技术,实现和优化了垂直石墨烯纳米山丘的生长。所得到的无金属石墨烯电极显示出最低的起始电位(-0.42V vs饱和甘汞电极),而且与先前报道的肼氧化碳基材料相比,也具有最高的电流密度。

 



15.激光雕刻的石墨烯像素可在极端环境中工作


英国和西班牙的研究人员发现石墨烯材料为基础,使用激光来雕刻较低载体浓度的区域可以在核反应堆内拍照的材料。激光去除一些FeCl3分子,并在高掺杂和激光处理区域的材料之间产生光激活连接。当光照射到这个结点上时,就可以在整个材料上检测到电流,就像摄像头传感器中的像素一样。

研究人员的下一个挑战是模拟广泛的光活性连接阵列,创建出适合现代研究的成像设备,并带领我们直面极端环境。

 



16.新方法在石墨烯中加入纳米材料以保持超高速电子器件的性能


伊利诺伊大学芝加哥分校的科学家发现了一种新的化学方法能使石墨烯保持住超高速电子器件的性能——在石墨烯中加入纳米材料将扩大其应用的范围,从而彻底改变石墨烯技术的发展。Vikas Berry及其同事在不改变石墨烯中碳原子的性质和排列的前提下,将纳米材料附着在石墨烯上,将诸如铬或钼的金属原子添加到一个苯环的六个原子中。与以碳为中心的化学键不同,该键被离域化,这使得碳原子的排列保持不变和呈平面状,从而使得石墨烯保持其独特的导电性能。

 



17.科学家运用3D印刷技术制造石墨烯泡沫


研究人员采用普通3D打印技术来制作石墨烯泡沫的指尖块。该过程在室温下进行,不需要模具,原料为糖粉和镍粉。该方法产生的泡沫是低密度、3D形式的石墨烯,且具有大孔,占其体积的99%以上。“我们的方法制备的3D石墨烯泡沫显示了对需要快速成型和制造三维碳材料应用的展望,包括能量储存、阻尼和吸音。”联合主编作者Yilun Li,研究生Rice说。




18.通过实验和模拟设计强韧性石墨烯复合材料


Markus Buehler领导的麻省理工学院的研究人员通过实验和模拟来设计一种基于石墨烯氧化物的复合材料,针对石墨烯氧化物的强度和韧性进行了优化。通过将不同浓度的水引入到模型中,研究人员可以确定湿度对GO层之间的氢键相互作用和层间距的影响。



 

19.石墨烯用于新型电子显微镜增强图像清晰度


绳科技研究生院(OIST)的TsumoruShintake教授开发的最先进的新型电子显微镜——使用原子厚度的薄石墨烯来增强微小病毒微观图像的清晰程度。研究人员通过在无菌真空环境中将它们喷洒到石墨烯膜上来制备病毒。石墨烯具有良好的导电性,这意味着电子很容易穿过石墨烯层。这样,低能量的电子将与石墨烯层产生很小的相互作用,从而使病毒样品在图像中更加突出。




20.科学家开发微波共振技术可无损表征石墨烯性质


科学家开发了一种表征石墨烯性质的新方法,该方法在破坏石墨烯本身的情况下,就可以研究石墨烯和其他二维材料的电阻和量子电容。科学家将石墨烯嵌入氮化硼中,将其放置在超导体上,并将其与微波谐振器耦合。石墨烯的电阻和量子电容都会影响谐振器的质量因子和谐振频率。通过比较具有和不具有封装的石墨烯的谐振器的微波特性,科学家们可以确定封装的石墨烯的电阻和量子电容。

 



21.未来通信的领军者——石墨烯和太赫兹波


把tera赫兹波应用在电子设备上,未来的数据通信可以得到很大的提升。查尔莫斯科技大学的高级研究员Andrei Vorobiev说:“石墨烯的一种特殊特性是电子的移动速度比现在使用的大多数半导体要快得多。得益于此,我们可以获得高频率(100-1000倍于千兆赫)的频率,从而构成了tera赫兹波。然后,数据通信就有可能比现在快10倍,而且可以传输比目前更多的数据。”

 



22.墨烯超晶格的一种新型量子振荡


众所周知,磁场中的运动电子一定会沿着称为回旋加速器轨道的弯曲轨迹做运动。而曼彻斯特大学的一项新研究实验得到的电子的运动方式完全不同。研究人员发现石墨烯超晶格电导率的振荡。Vladimir Falko教授评论说:“我们可以将Hofstadter蝴蝶谱的复杂分形结构理解为在由磁场产生的新金属序列中的简单Landau量子化。”该研究成果使得石墨烯和原子厚度材料科学技术的快速发展又向前迈进了一步。

 



23.用于测量石墨烯片之间剪切力的气泡技术


中国和美国的一组研究人员设计了一种相对简单的方法来测量石墨烯和其他材料之间存在的剪切力。在新方法中,一层石墨烯粘附在另一石墨烯层之前,先钻出小孔。然后通过气泵通入空气从下面产生压力,使顶部的薄片上升并将下面的薄片与它一起拉扯,形成一个气泡。然后利用拉曼光谱测量气泡底部的拉伸量,以此作为测量两种材料之间剪切力的一种手段。

我们的结果不仅提供了可能的最薄结构的界面剪切响应的见解,而且还建立了一个实验方法来表征潜在的应用在多层系统中新兴的二维材料的基本层间剪切性能。

 



24.北京大学与韩国基础科学研究所合作研究合成大型单晶石墨烯


研究人员报道了大尺寸单层单晶石墨烯的合成方法:从几个小时内合成几厘米单晶石墨烯片材的技术推进到一种只需20分钟便可以合成出尺寸为5×50cm2几乎完美(> 99.9%对齐)的单晶石墨烯的优化方法。然后,通过另一种称为化学气相沉积(CVD)的技术,在铜箔表面上形成了数百万个平行的石墨烯岛。随着越来越多的碳原子沉积在箔上,石墨烯岛一直增长,直到它们聚结并形成覆盖整个可用表面的近乎完美的单晶石墨烯层。

 



25.世界上最小的人造钻石?石墨烯功不可没


科学家们一直在为创造出与普通石墨烯相对的可以被称之为“钻石”的二维薄膜而努力着。研究发现,用几千倍地球大气压力去压缩一对石墨烯片时,晶体结构会发生变化,这意味着它已经从石墨变成了钻石。科学家们利用一种叫做拉曼光谱的技术来监测碳晶体的结构,这种方法提供了钻石形成的间接证据。科学家的下一步任务是散射x射线或电子,从而确定它的结构。


 


26.环保催化剂双面石墨烯电极可以将水分解成氢和氧


莱斯大学的化学家们发明了一种基于激光诱导石墨烯的催化剂,可以将水分解成氢和氧。Tour团队表示:“如果把水分解成氢和氧,利用催化系统和风能或太阳能发电,那么所提供的氢气是完全可再生的,并且没有污染物的排放。”而且,燃料电池的效率通常是内燃机的两倍,从而可节省能源。




27.“通过”石墨烯实现排列晶体


在可见光下的高度透明性使石墨烯成为应用于电子显示的理想材料。Kim等人研究晶体生长可通过一片石墨烯实现——镓和砷原子“看穿”石墨烯层到下层砷化镓(GaAs)晶,因此采用该无缝继续衬底的晶格结构的布置。在使用外延生长GaAs的普通方法中,需要尽力确保衬底的表面没有被其他材料或GaAs氧化物的污染。在基质表面放置一层精心制备的石墨烯,利用石墨烯来削弱衬底对外延生长过程的引导能力。

 



28.石墨烯器件可高效地注入和检测电子自旋


荷兰格罗宁根大学教授Bart van Wees教授发文论述了一种基于石墨烯的器件,在室温下可以高效地注入和检测电子自旋,关键技术是改变石墨烯/氮化硼之间电子自旋的方式。

开发自旋逻辑门或自旋晶体管,可应用于日常在室温下使用的实验设备中。专注于研究石墨烯的Vladimir Falko教授说:“在氮化硼中封装石墨烯,并将这两种材料的异质结构用于新器件,包括隧道晶体管。这将成为石墨烯未来研究的趋势。而他们下一步的目标是将石墨烯和氮化硼结合在一起。

 



29.石墨烯双层主体激子超流相


在双层石墨烯异质结构中,纽约哥伦比亚大学的研究人员观察到量子霍尔体系中的激发子的Bose-Einstein凝聚物。在高温和零磁场下,这种系统被认为是承载超导状态的激子类似物,因此可用于研究固相中强相互作用的玻色子粒子。冷凝物也可用于制造Josephson junctions,,这是量子计算机的基础。



 

30.离子精确“装订”石墨烯膜用于离子筛分和海水淡化研究取得重大突破


上海大学吴明红教授团队在石墨烯研究领域取得了重大突破,研究提出并实现了通过水合离子精确控制石墨烯膜的层间距,展示出优异的离子筛分和海水淡化性能。精确控制石墨烯膜的层间距在环境、能源材料等领域具有重要意义,尤其在水处理、离子/分子分离以及电池/电容等应用领域中起到关键作用。对于石墨烯纳米片,要实现其层间距固定并精确到1/10纳米的尺度十分困难,并且石墨烯膜在水溶液中会发生溶胀导致分离性能严重衰减。

 



31.石墨烯膜用于离子筛分和海水淡化研究取得重大突破


中科院上海微系统所石墨烯粉体材料研究团队何朋、丁古巧等研究人员在高质量石墨烯材料制备方面取得的两项重要研究进展:基于插层-剥离体系的创新和过程控制,分别在H2SO4-Na2S2O8 和H2C2O4-H2O2 体系中通过化学和电化学技术获得高质量少层石墨烯。在H2SO4-Na2S2O8 体系中,研发人员通过插层和剥离的动力学控制,实现了90.8%少层石墨烯的超高产率。该研究成果对于湿法化学规模化制备高质量石墨烯具有重要借鉴意义。

 



32.新疆理化所油水分离用超疏水石墨烯泡沫材料获得进展


中国科学院新疆理化技术研究所科研人员通过调节材料表面粗糙度以及表面能,设计制备了具有超疏水特性的油水分离用石墨烯泡沫材料,水的接触角为153°,提高了材料油—水选择性的同时,保持了石墨烯泡沫的三维结构,对油及有机溶剂具有良好的吸附性能。在制备过程中,科研人员通过调控氧化石墨烯的用量,实现了对超疏水石墨烯泡沫材料厚度的控制,材料最终还可作为油水分离膜使用。




33.中科院福建物构所利用高导电碘掺杂石墨烯提升锂硫电池循环稳定性


中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室研究员王瑞虎课题组和温州大学教授杨植合作,将水蒸气刻蚀的多孔NbS2和高导电碘掺杂石墨烯(IG)复合到三元混合硫正极系统中,合成了由IG包裹的三明治型NbS2 S IG正极材料,在大幅提高锂硫电池稳定性的同时,增加其大功率放电性能。这项成果有效解决了锂硫电池商业化应用方面面临的一些技术挑战。

 


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