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封面文章:后摩尔时代电子信息器件——二维材料的自旋电子学
nanomicrolett 2020-6-18 23:47
Spintronics inTwo ‑ Dimensional Materials Yanping Liu*,#, ChengZeng#, Jiahong Zhong, Junnan Ding, Zhiming M. Wang*, Zongwen Liu* Nano‑Micro Lett.(2020) 12:93 https://doi.org/10.1007/s40820-020-00424-2 本文亮点 1. 详细概述了近几年基于 二维材料自旋电子学 的成果。 2. 对比了不同的二维材料 体系和器件结构 对自旋电子学器件的影响。 3. 对二维材料自旋电子学进行了具体的 展望 。 研究背景 随着电子器件的微型化不断接近物理极限,后摩尔时代的新型电子器件成为了研究热点。自旋电子学器件是利用电子的自旋属性进行信息存储、传递与处理的新型信息器件,具有非易失性、存储密度高、能耗低和响应快等优点。同时,二维材料在电子自旋方面的卓越性质为自旋电子学的研究提供了一个理想的平台。而且二维材料之间可以组成范德华异质结,使材料获得更加丰富的性质。二维材料的引入大大推动了自旋电子学的发展,并且有望进一步实现自旋存储、自旋逻辑器件。 内容简介 自旋电子学以电子的自旋度作为信息矢量,是实现后摩尔时代器件的极具吸引力的领域。近年来,二维材料因其独特的自旋相关的性质而受到了自旋电子学的极大关注,例如石墨烯的超长自旋弛豫时间和过渡金属硫属化物(TMDCs)的自旋-谷锁定。此外,二维材料可以组成范德华异质结,通过邻近效应将不同的特征进行组合,从而可以弥补单个二维材料的局限性。因此,邻近工程技术发展非常快,并在自旋注入和操纵方面取得了重大成就。但是,自旋电子器件的实际应用仍然存在许多挑战。例如,二维材料异质结中的自旋弛豫的机理尚不清楚,以及高效的自旋栅极调控尚未实现。中南大学刘艳平教授,电子科技大学王志明教授以及澳大利亚悉尼大学ZongwenLiu教授在这篇综述中,重点关注了二维材料和相关的异质结构,系统地总结自旋注入、自旋运输、自旋操纵以及应用方面的研究进展。并且重点分析基于二维材料的自旋电子器件的研究中当前面临的挑战和未来的前景。 图文导读 I 二维材料的自旋注入 自旋注入是二维材料中自旋电子学研究和应用的关键和基本主题。 一种简单的解决方案是在二维材料中产生磁性,从而获得自旋极化状态。此外,许多其他注入自旋的方法也被提出,包括电学注入、光学注入和自旋轨道耦合效应。 1.1 磁性工程 当前,自旋电子学研究中广泛使用的二维材料(例如石墨烯和TMDCs)都是非磁性的,材料本身是不具有自旋极化载流子的,也就无法进行自旋电子学的研究。而磁性工程则是在二维材料中获得自旋极化态的重要手段。磁性源于运动的电荷和基本粒子的自旋,由于基本障碍(例如热干扰),通常认为它在二维系统中是不稳定的。但通过近些年的努力,成功在二维系统中发现了长程磁性,并且在非磁性二维材料的磁性工程中取得了许多成果。 图1.部分磁工程的方案示意图。通过(a)氢化和(b)制造空位使石墨烯出现局域磁矩,(c)石墨烯纳米带的边缘悬挂键会导致局域磁矩的出现。(d)在电偏置的Bernal堆叠双层石墨烯中的墨西哥帽型能带,边缘的电子态密度的发散会导致铁磁Stoner不稳定。(e)在YIG/GGG衬底上的石墨烯通过磁近邻效应获得磁性。 1.2电学注入 电学注入方法使通过电极往二维材料中注入自旋极化电流,在器件中相较于磁性工程更为常见和实用。过去通过铁磁电极往半导体材料中注入自旋极化电流,会存在电导率失配的问题从而导致自旋极化率很低。有研究提出通过加入隧道势垒(如氧化铝、氧化镁等金属氧化物薄膜)实行自旋隧穿注入,可以有效的避免这一问题。但隧道势垒又面临着生长技术的局限性,出现不均匀、有小孔等问题,导致自旋注入效率的提高再次面临挑战。而二维材料异质结具有原子级平整的界面等特性,可以有效地避免这些问题。例如,现在自旋器件中广泛引入二维剧院材料六方氮化硼(hBN)作为隧道势垒材料,相较于传统的金属氧化物,在提高石墨烯的自旋注入效率方面取得了巨大的成功。 图2. 各类隧道势垒材料在石墨烯自旋注入效率上的对比图。数字表示在综述文章中的参考文献序号。 图3. (a,b) 制备二维材料异质结的干法转移技术示意图。(c,d,e)偏置电压下的差分自旋注入(pin)和自旋极化检测(pd)的实验。在使用hBN作为隧道势垒和加入偏置电压的情况下,自旋注入效率可以接近100%。(f)采用氟化石墨烯作为隧道势垒实现石墨烯中的自旋注入。 另外,采用二维铁磁性材料进行自旋注入也是一个很好的电学注入方案。二维铁磁性金属材料可以取代传统的铁磁电极,与二维材料构成界面优异的异质结,避免三维电极与二维材料的接触问题。而二维铁磁性绝缘材料则可以作为隧道势垒,取代传统的非磁性绝缘材料,实现磁子辅助的自旋隧穿注入,并且有望实现自旋选择过滤,进一步提高自旋注入效率。 表1. 部分二维磁性材料及其电学属性总结。 1.3 光学注入 在电学注入过程中,自旋输运通道与铁磁电极(或隧道势垒)之间的界面接触问题会引起自旋相关的散射,从而影响自旋注入效率并限制材料的研究潜力。相反,无损的光学注入方法则不具有这样的缺点。 在强自旋轨道耦合作用(SOC)存在的情况下,入射光与石墨烯的轨道自由度之间的相互作用使光学自旋注入成为可能。有报告指出,通过线性极化的入射光,无需任何铁磁电极,就可以将自旋极化电流直接注入石墨烯。而且,部分TMDCs材料的自旋-能谷锁定性质也为光学注入提供了一种具有吸引力的方法,并形成了谷电子学(Valleytronics)这一新研究领域。能谷选择性地吸收圆偏振光,然后能谷对应的自旋极化的载流子会被激发,并且可以扩散到相邻的石墨烯通道中,从而实现高效的自旋注入。另外,有研究利用飞秒激光的超高能量也实现了二维半导体材料中的自旋光学注入,获得的自旋极化电流密度高出其余方法几个数量级。 1.4 自旋轨道耦合作用 自旋轨道耦合(SOC)是电子的自旋自由度和动量自由度之间的相对论相互作用。在低维度下,SOC效应大大增强,并且出现了物质的新阶段,例如自旋极化的表面和界面态。在表面或界面处,空间反演对称性被破坏,并且所产生的电场与运动电子的自旋耦合,从而产生自旋分裂。根据Edelstein或逆Edelstein效应,在费米表面具有螺旋自旋极化分布的Rashba表面和拓扑(TI)表面状态可以实现自旋电流和电荷电流之间的转换,从而实现自旋注入。 图4. Edelstein效应实现自旋电流与电荷电流的转换示意图。(a,b) 上:Rashba界面上二维态的能量色散关系和拓扑绝缘体的表面或界面的狄拉克色散锥。下:Rashba费米轮廓和拓扑表面态。(c,d)电子在Rashba或TI二维电子气中沿x方向运动会引起费米面的位移δk,从而导致自旋在y方向上积累。(e)内部自旋轨道产生的自旋电流的示意图。不同自旋的载流子会受到不同的力矩。 利用自旋轨道耦合效应进行自旋注入,可以取代传统电学注入所需的铁磁电极,从而实现全电学的自旋器件。实验上,有研究通过TI向石墨烯内成功的实现了自旋注入,注入效率最高达到了10%。利用强SOC的二维材料与石墨烯组成异质结,通过界面的Edelstein效应也成功的实现了自旋注入。另外,重金属材料也具有很强的SOC,同样可以实现自旋注入。 图5. (a)WSe 2 /石墨烯异质结光学注入示意图。(b)利用飞秒激光激发Co中的载流子。随着受激载流子的扩散和Co中的自旋不对称性,不同自旋的载流子的能量弛豫不同,最终只有能量高于界面势垒的载流子注入到MoS 2 中,实现自旋注入。(c)TI/石墨烯异质结自旋注入示意图。(d)TMDCs/石墨烯异质结通过SOC效应进行自旋注入示意图。(e)重金属Pt通过自旋霍尔效应向石墨烯中注入自旋极化电流示意图。 II 二维材料的自旋输运 自旋电子器件中的另一个基本问题是如何将自旋状态保持足够长的时间和距离,以完成信息的传输。相较于传统的金属和半导体材料,二维材料在自旋输运上具备很大的优势。除了得到广泛研究的石墨烯外,其余二维材料如黑磷、硅烯、锗烯等都表现出良好的自旋输运性质。现阶段,石墨烯的自旋弛豫时间和自旋扩散长度在实验测试值上仍远低于理论预测值。通过研究表明外源弛豫是导致这一现象的主要原因,如器件制备中引入的杂质和材料衬底上的散射源。因此,提高材料自旋输运性能的关键点在于如何去设计器件结构,来最小化外源因素导致的自旋弛豫。 图6. 基于石墨烯的自旋电子器件的结构发展示意图。 图7. (a)Hanle测试示意图。(b)Hanle测试信号,可以通过函数拟合获得器件的自旋弛豫时间和自旋扩散长度等参数值。(c)不同的hBN隧道势垒对器件输运性能的影响。(d)柔性衬底的石墨烯器件。(e)基于黑磷的非局域自旋阀器件。(f)硅烯场效应晶体管器件的示意图及其合成转移制造工艺。 表2. 自旋输运研究的发展。颜色由浅到深依次表示石墨烯、黑磷、MoS 2 。*表示封装hBN作为隧道势垒。 III 二维材料中的自旋操控 二维材料中电子自旋的灵活控制对于实现自旋器件的实际应用至关重要,并且对开发有效的操纵方案付出了许多努力。幸运的是,二维材料的特性为自旋操控提供了很多方案,包括磁性工程和近邻效应。 3.1 磁操控 通过材料的宏观磁性去操控电子的自旋是最直观且最直接的方法。但是这种方法的实际应用却缺乏吸引人的有效策略。而二维材料的磁性会受到许多因素的影响,这也为实现自旋操控提供了丰富的策略。 首先,电学控制方法可以通过电场或静电掺杂改变电子数量、轨道占有率等,从而导致磁性的改变。二维材料只有原子级别的厚度,外部电场可以很容易的穿透并改变其性质。并且有部分二维材料的磁性与静电掺杂相关,比如CrI 3 。此外,应力是一种控制材料特性的有效方法,能够改变材料的晶格结构。由于磁性与材料的结构参数密切相关(例如磁致伸缩),因此应力也对材料的磁性具有良好的调节作用。而且,已经在部分的层状磁体中通过实验观察或理论预测了自旋-晶格耦合效应,比如Cr 2 Si 2 Te 6 、Cr 2 Ge 2 Te 6 和Fe 3 GeTe 2 。还有,部分二维材料的磁性强烈依赖于层间相互作用,也为二维材料的磁性控制提供了有效方案。 3.1 异质结中的近邻效应 石墨烯的SOC非常弱,使其成为理想的自旋输运通道。然而,如此弱的SOC导致石墨烯中的电子自旋无法实现操控,这限制了其在自旋器件中的应用。因此提高石墨烯的SOC已成为自旋电子学研究的热点,提出了许多改善石墨烯SOC的方法。其中,通过二维材料异质结的近邻效应改善石墨烯的性质,实现自旋操控是最理想的方法。实验上,在石墨烯与强SOC材料(如TMDCs、TI)的异质结结构中,石墨烯的SOC得到了明显的提升。并且,有研究还实现了室温下的自旋场效应开关。 另外,铁磁材料与自旋通道的异质结中,利用电子间的交换相互作用也可以对自旋进行操控。这个近邻交换相互作用充当着一个有效塞曼场,引起电子自旋围绕铁磁材料的磁化轴发生进动。有趣的是,有研究还提出了通过石墨烯中载流子密度相关的电导率和自旋扩散长度的栅极可调性对自旋流实现操控。 图8. (a,b)Fe 3 GeTe 2 (FGT)的栅极可调的铁磁性。(a)三层FGT器件中室温下测得的电导率与栅极电压的函数关系,插图为器件的结构示意图。(b)随着栅极电压和温度的变化的三层FGT样品的相图。(c)CrI 3 中依赖于轨道的层间超交换相互作用的示意图。(d,e)CrI 3 场效应器件。(d)双栅极双层CrI 3 场效应器件的侧视图。(e)在4K和50K的三个代表性掺杂水平(不同栅极电压)下,磁圆二色性与磁场的关系。(f)基于石墨烯/MoS 2 异质结,在室温下的自旋场效应开关。(g)与铁磁电极一维透明接触的石墨烯磁近邻效应示意图。(h)具有栅极的Y型石墨烯自旋流多路分解器件,用于控制纯自旋流。 IV 二维材料自旋电子学的应用 二维材料为自旋电子学的研究提供了一个理想的平台,并且为自旋电子学的实际应用带来了新的前景,有望在低功耗存储、逻辑计算和通信领域取得突破。 首先,二维材料在磁隧道结(MTJ)中得到了广泛的应用。MTJ是自旋存储、自旋逻辑运算器件中的关键组件,通过两个铁磁电极的磁化匹配关系实现开关。传统的MTJ采用的是金属氧化物等材料作为隧道结势垒,很难避免材料生长中的不均匀和小孔等问题,从而导致器件开关比太低。而二维材料之间的原子级平整界面可以促进全区域的电子隧穿,从而解决这一问题。另外,利用二维材料丰富的属性,还可以实现自旋过滤、自旋选择等操作,进一步提升MTJ的磁阻率。 但是,MTJ以及其他传统的自旋电子器件都依赖于外部磁场对铁磁电极进行调控实现功能。显然理想的电子元器件能够以很小的临界电流实现良好的电学调控。基于二维材料的自旋扭矩(spin-torque)器件可以很好的满足这一要求。此外,借助二维材料,可以使器件朝原子尺度微型化,也不用像三维材料那样在材料体内发生自旋流耗散。并且,部分二维材料还可以极大地增强铁磁层的垂直磁各向异性,这对于克服热波动具有重要意义。例如传统的自旋扭矩磁随机存储器(STT-MRAM)的长期目标就是更小的体积和写入电流,二维材料则在这方面具有非常大的开发潜力。 图9. (a)以MoS 2 作为隧道势垒的MTJ器件示意图。(b) 基于二维铁磁电极Fe 3 GeTe 2 和hBN隧道势垒的全二维材料MTJ器件。(c)石墨烯中自旋过滤效应理论。传统铁磁电极费米面处的电子自旋的分布,而石墨烯的恒定能量表面以K点为中心。(d) 基于石墨烯与五个铁磁电极的磁逻辑门概念图。 V 二维材料自旋电子学的总结与展望 二维材料为自旋电子学的发展提供了广阔的前景,并且基于二维材料的自旋电子学也成为了蓬勃发展的新兴领域。本综述基于自旋电子学的几个基本问题,讨论了二维材料中自旋电子学的最新进展和未来的机遇与挑战。 对于自旋电子器件的实际应用,如何实现全电学仍然是一个关键的挑战。自旋注入过程中,铁磁电极的磁切换仍需要使用外部磁场。而SOC效应则能够在没有铁磁电极的情况下通过电荷-自旋转换产生纯自旋流,但该方案的自旋注入效率仍非常低。最近的研究表明二维材料的表面和异质结的界面对于SOC效应至关重要。因此,应该努力改进现阶段的器件制备工艺,提高材料表面和界面的质量,并进一步探索基于二维材料自旋电子学的更多潜能。 另一方面,自旋弛豫问题一直是二维材料自旋电子学中的重点,是解决自旋输运和自旋操控之间的矛盾的关键。hBN封装和退火工艺是现阶段减弱自旋弛豫的最好方案,但自旋弛豫的机制仍未达成共识。因此,进一步探索自旋弛豫的围观图景仍然十分必要。值得注意的是,二维材料家族还在不断壮大,各类性质的二维材料不断出现。除了传统的二维材料,关注新型二维材料对于自旋电子学的研究和应用都具有重要的意义。另外,高居里温度的二维磁体还是一个长期的难题。但研究表明加强交换相互作用和单轴磁各向异性是实现高居里温度和长程磁序的经验法则。 二维材料为自旋电子学的研究提供了一个完美的平台。通过数十年的研究,取得的成就颇具吸引力,但仍有一些挑战值得关注。总而言之,二维材料和自旋电子学的结合不仅为基础理论研究,而且为新型电子设备的发展提供了令人难以置信的广阔前景。 作者简介 刘艳平 教授 本文第一作者兼通讯作者 中南大学 物理与电子学院 ▍ 主要研究领域 新型信息器件的研究,如二维材料自旋电子学、谷电子学、纳米光电器件的研究。研究目标是探索材料电子自由度(自旋、谷、电荷)的特性,利用它们为载体,通过先进的微纳加工工艺和材料改性手段,设计并制备新型的原型信息器件,并开发这些自由度在下一代新型信息器件中的应用。 ▍Email: liuyanping@csu.edu.cn ▍个人主页: www.yplab.cn 曾程 本文第一作者 中南大学 硕士生 ▍ 主要研究领域 二维材料自旋电子学 。 ▍Email: zengcheng@csu.edu.cn 王志明 教授 本文通讯作者 电子科技大学 基础与前沿研究院 ▍ 主要研究领域 半导体纳米材料、光电原型器件设计和制备、分子束外延 。 ▍Email: zhmwang@uestc.edu.cn ▍个人主页: http://icam.uestc.edu.cn/members/director/ Zongwen Liu 教授 本文通讯作者 澳大利亚悉尼大学 化学与生物分子工程学院 ▍ 主要研究领域 纳米材料的合成及微观结构表征 。 ▍Email: zongwen.liu@sydney.edu.au 撰稿: 原文作者 编辑:《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在Springer开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。 E-mail: editorial_office@nmletters.org Tel: 86-21-34207624
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张晗教授综述:二维热电材料研究进展
nanomicrolett 2020-3-18 21:09
Recent Progress of Two-Dimensional Thermoelectric Materials Delong Li,Youning Gong, Yuexing Chen, Jiamei Lin, QasimKhan, Yupeng Zhang*, Yu Li*, Han Zhang*, Heping Xie Nano-Micro Lett.(2020)12:36 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0374-x 本文亮点 1 详细介绍了基于二维材料的块体和薄膜热电材料的研究进展,并讨论了二维材料作为填充剂在复合热电材料中的应用及优化机制。 2 综述了基于微纳器件的单层/少层二维材料本征热电性能测试方法及研究进展。 3 讨论了基于二维材料的光-热电效应在自供电光电器件中的应用进展及机制。 研究背景 热电材料可以实现热能和电能之间的直接相互转换,在工业废热、汽车尾气余热等低品质环境废热的回收利用领域展现出无可替代的优势,具有广阔的应用前景。近年来随着新材料、新理论和新工艺的不断开发和优化,热电材料的性能也显著提高。由于其优异的物理、化学性质,以石墨烯、过渡金属硫族化合物等为代表的层状二维材料在热电领域受到了广泛关注。 内容简介 近年来,大量的理论预测表明,包括石墨烯、过渡金属硫族化合物、第四主族硫族化合物、黑磷、MXene等在内的二维材料具有非常优异的热电性能,实验也证实这些材料具有较大的应用潜力。近日,深圳大学张晗教授等人发表综述,详细总结了二维材料在热电领域的研究进展。对基于二维材料的块体、薄膜热电材料的应用进行了阐述,探讨了二维材料作为填充剂在无机和有机热电材料中的性能优化机制和应用进展,讨论了二维材料本征热电性能的研究方法,探讨了基于二维材料的光-热电效应的光电探测器的研究进展。文章最后对二维材料在热电领域的一些潜在问题和发展思路进行了总结。 图文导读 I 二维热电材料的理论进展 主要介绍了二维材料热电性能的理论模拟进展。包括石墨烯、过渡金属硫族化合物、第四主族硫族化合物、黑磷以及MXene的理论研究进展。 II 基于二维热电材料的实验进展 2.1 基于二维材料的块体热电材料 二维材料的宏量制备一直是限制二维材料应用的重要原因之一。最近,随着纳米技术的快速发展,基于水热法、溶胶凝胶法、电化学等方法可以实现二维材料二点大量制备,这也为基于二维材料的块体热电材料的研究提供了实验基础。图1所示是利用溶液法制备的SnSe纳米片的形貌。基于这种低维纳米材料烧结的块体热电材料,晶粒尺寸小,存在大量的纳米尺度的晶界,可以有效散射声子,进而有效优化材料的热电性能。 图1溶液法制备SnSe纳米片的形貌及声子在晶界散射示意图。 2.2 基于二维材料的薄膜热电材料 随着可穿戴器件研究的兴起,柔性薄膜热电材料在近几年也受到了广泛研究。传统柔性热电材料主要是基于导电高分子,但是这类材料的热电性能非常差,需要对其进行优化。二维材料本征优异的机械性能使得其在柔性热电材料领域受到广泛关注。二维材料可以通过旋涂法、真空抽滤等简单的方法制备成柔性薄膜。目前,基于石墨烯、TiS 2 、MoS 2 、Bi 2 Te 3 等二维材料的柔性薄膜的研究也有报道。例如通过抽滤制备的MoS 2 薄膜(图2),可以转移到任意柔性基底或者作为自支撑膜直接应用。这种薄膜具有非常优异的热电性能,功率因子可以达到73.1 □ W/mK 2 。此外,有报道基于TiS 2 的薄膜,其ZT值可以达到0.28。基于二维材料的柔性薄膜的热电性能显著优于传统导电高分子,有望应用于柔性器件领域。 图2 MoS 2 薄膜的光学照片及微结构表征。 2.3 基于二维材料的复合热电材料 二维材料除了可以直接用于制备块体或者薄膜热电材料,还可以作为复合材料改善基体的热电性能。二维材料作为第二相填充剂,均匀分散在基体材料中,或者富集在晶界处(图3)。二维材料作为第二相,在材料中能够有效散射声子或载流子(图3),从而在一定程度上实现电导率、赛贝克系数和热导率的解耦合,进而优化材料的ZT值。 图3 二维材料作为填充剂在块体或薄膜中的性能优化机制。 III 单层或少层热电材料性能研究 研究材料的本征热电性能有助于我们理解热电效应的物理本质,进而为优化材料的热电性能提供实验依据和理论指导。本文详细综述了单层或少层二维材料热电性能的测试方法。二维材料本征热电性能的测试主要是基于微纳器件(图4a)。微纳器件一般是沉积在有绝缘层的硅基板上。为了测试材料的热导率,需要尽量减少基板对材料的影响,可以将整个器件沉积在悬浮的SiNx微米线上(图4b)。基于图4所示的微纳器件可以测试材料的面内热电性能,但是由于层状结构的特性,二维材料面内和垂直方向的性能具有非常大的差异。由于二维材料垂直方向厚度仅为一个或几个原子层,测试垂直方向的热电性能难度很大。图5是文献报道利用垂直器件测试(SnSe) n (TiSe 2 ) n 的垂直方向热电性能器件及测试结果。基于这种器件可以测试材料的电导率、赛贝克系数以及热导率。 图4 两种典型测试材料热电性能的微纳器件的SEM形貌。 图5 (a)器件制备流程示意图;(b)器件SEM形貌;(c)(SnSe) n (TiSe 2 ) n 的STEM形貌;(d)(SnSe) n (TiSe 2 ) n 的热电性能随n变化。 IV 二维材料的光-热电效应 热电材料的典型应用是构筑发电器件、制冷器件以及温度传感器。黑磷、MoS 2 、WSe 2 、等材料有显著的光-热电效应,吸收光可以在材料表面产生很大的温度变化。将热电效应和光热效应结合用于构筑高性能的光电探测器大大拓展了热电材料的应用领域。二维材料吸收光产生温度变化,基于二维材料的热电效应,在图6所示不同结构器件中会形成内建电场。二维材料的光热电效应能够显著影响材料的光电流产生过程,有利于提高光电探测器的性能。 图6基于石墨烯的光热电效应的光探测器以及光功率和输出电压的关系。 作者简介 张晗 本文通讯作者 深圳大学 ▍ 主要研究领域 主要从事低维材料物理与器件研究,包括光纤激光器、非线性光学、光纤通信与电子器件、低维材料信息光电器件、生物光学等研究。 ▍ 主要研究成果 深圳大学光电工程学院,特聘教授,博导。中组部青年千人、国家“优青”、基金委重点项目负责人、深圳市创新团队负责人、深圳市青年科技奖获得者(2017年)、全球高被引科学家、美国光学学会会士等。在Naturephotonics、Nature communications、Physical Report、Chemical Society Reviews、Advanced materials、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Advanced Functional materials、Laser Photonics Review等知名期刊上发表论文350余篇,论文被引用超过26000次(google学术搜索),H因子为82。 ▍ Email: hzhang@szu.edu.cn 黎德龙 本文第一作者 深圳大学 ▍ 主要研究领域 主要从事低维纳米材料制备与表征,及其在能源存储与转换领域应用。 ▍ 主要研究成果 迄今在Nano-micro lett、ACSappl energy mater、ACS appl mater inter、Nanoscale、GreenChem等期刊上发表SCI收录论文30余篇,论文总引用次数1100余次,H因子19。 撰稿:原文作者 编辑:《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在Springer开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。 E-mail: editorial_office@nmletters.org Tel: 86-21-34207624
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Advanced Energy Materials2019,9,1901093-Co2(OH)2CO3-GO锂钠离子电池
zsqxinghe 2020-2-8 11:19
Advanced Energy Materials: 氨基酸功能化氧化石墨烯模板法控制生长超薄Co2(OH)2CO3纳米片实现高效储锂/储钠 https://www.materialsviewschina.com/2019/07/38518/ 【Co2(OH)2CO3】AEM-aenm.201901093.pdf 2019AEM-SI-Co2(OH)2CO3-LIB-SIB.pdf
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二维包覆--打造“不可或缺”的石墨烯应用
FNG 2019-10-24 09:45
前言:   之前我们聊过,近年来石墨烯之所以陷入“无用论”困境,其根源很大一部分是因为其作用是“可有可无”的,所以 高通科技 这几年集中全部精力为我们的 功能化石墨烯 寻找它“不可或缺”的应用方向。终于,当我们将应用方向聚焦在 石墨烯的二维特性 上时,不禁豁然开朗。 这是石墨烯作为材料使用的一个大优势,它兼具石墨稳定、耐高温的特点,特别是以二维材料作为模板(这里面有自主装的概念,只有在平面上均匀具有官能团的二维材料才适用,这是我们的独特优势)可以实现以低成本原材料制备高附加值的应用产品。 应用举例:   1. 充分 利用石墨烯二维材料且耐高温的特性,用功能化石墨烯包覆有机硅,然后再高温还原 ,通过设计可以做出球形很好的硅负极材料,而且巧妙解决了现有硅碳材料易膨胀、循环性不好两种路径的瓶颈问题,走出了 制备硅碳材料的第三种路径 。   2. 借助阴阳离子的相互作用,功能化石墨烯基本可以实现所有材料的二维完美包覆 。比如包覆丙烯酸微球,包覆的丙烯酸微球800℃高温后依然能很好的保持形貌。
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综述 | 超越石墨烯:新型二维材料在金属离子电池和超级电容器中的应用
nanomicrolett 2019-5-6 21:37
Beyond Graphene Anode Materials for Emerging Metal Ion Batteries and Supercapacitors Santanu Mukherjee 1 . Zhongkan Ren 1 . Gurpreet Singh 1 Nano-Micro Lett. (2018) 10:70 DOI:10.1007/s40820-018-0224-2 本文亮点 1 全文综述了用于电池和超级电容器电极的新型二维材料,特别是 MXene 和磷烯。分别介绍了材料的制备技术、材料结构以及比较了不同材料的电化学性能。 2 详细介绍了传统负极材料的局限性以及二维材料在解决这些不足中的重要作用,此外还详述了该领域未来的发展趋势。 内容简介 在过去的三十年中,锂离子电池已成为主要的电化学储能装置,但是锂离子电池使用的锂和钴存在资源分布不均、储量低以及价格昂贵等问题,因此开发新型的储能体系迫在眉睫。 对于非锂离子电池的储能系统,由于金属离子(钾离子、钠离子、镁离子等) 离子半径较大 以及 动力学较慢 ,电极正负极材料的发展面临重大的挑战。 二维材料 由于其独特的电子结构及物理、化学性质(大表面积、高导电率、高热导率和机械强度)而被广泛地应用于锂、钠、钾二次电池的电极材料,用以满足日益增长的高能量密度、高功率、高倍率性能和循环性能的要求。 目前,有许多二维纳米材料应用到储能材料研究,如 石墨烯、过渡金属氧化物、过渡金属二硫化物、磷烯、MXenes 等。二维纳米材料的发展为清洁能源装置的研发和应对全球能源需求带来的挑战提供了极大的机遇。石墨烯作为典型的二维材料被广泛应用于储能电池体系的电极材料中。 美国堪萨斯州立大学Gurpreet Singh 教授课题组 重点综述了除石墨烯之外的用于非锂离子电池体系的新兴二维电极材料 。详细比较了二维材料的化学性质、结构和性能参数等。 图文导读 1 2D材料的结构 图12D材料(主要包括磷烯、Mxene和TMD)的晶体结构、晶格参数以及典型的SEM和TEM图像。 二维材料的晶体结构和电子特性决定了其电化学性能,同时单层/几层跟块体材料的形貌差异也影响它们作为电极的电化学性能。 2 电化学储能二维材料的制备方法 图2用于大规模合成电极材料的各种“自上而下”的制造技术示意图,主要包括:液体剥离、机械剥离、插层辅助剥离和选择性刻蚀剥离。 二维材料的制备方法十分重要,它极大地影响了二维材料的最终形态,电子特性,甚至机械和化学稳定性。 3 新型二维材料 (1)过渡金属二硫化物(TMD) 图3 TMD(MoS 2 )作为SIB电极材料的结构表征及电化学性能分析 图4用于非锂超级电容器的二维TMD电极的结构表征和电化学性能。 (2)Mxenes 由于层状结构和高导电性能,MXenes被认为是最具潜力的金属离子电池负极材料之一。 MXenes不仅具有低的锂离子扩散势垒和高的电导率,可以促进离子/电子运输,而且MXenes与金属氧化物等材料复合,可以缓解它们在充放电过程中体积膨胀的问题。 图5 Mxene在KIB作为电极材料的结构表征和电化学性能分析。 图6 Mxene (N掺杂Ti 3 C 2 T x )作为超级电容器电极的结构表征和电化学性能分析。 (3)磷烯 磷烯,作为后石墨烯时代研究的焦点,具有褶皱的二维层状结构,直接能带间隙,层内各向异性及超高的钠电理论比容量,近年来在光电、催化、新能源材料等领域大放异彩。 磷烯具有很高的理论比容量(2596 mAh/g),目前用来制备磷烯的方法主要是液相剥离,但其耗时长、产率低并且易导致晶体缺陷,严重阻碍了磷烯基材料的发展。电化学阴极剥离是一种具有高效、可控、可扩展等优点的方法。 图7磷烯在钠离子电池作为电极材料的结构表征和电化学性能分析 图8磷烯作为超级电容器电极的结构表征和电化学性能分析 作者简介 主要研究领域: 长期从事纳米技术领域相关研究工作,重点研究二维材料的加工、结构与性能表征,储能陶瓷,以及液相剥离方法制备原子级氧化石墨烯、钨和二硫化钼薄片并应用在金属离子电池领域。 主页链接: https://www.mne.k-state.edu/people/faculty/singh/ 相关阅读 1 硼烯纳米带:一种新型二维结构材料的电学和磁学特性 2 二维纳米片材料的储能应用 3 综述:基于二维过渡金属氧化物和硫化物的光催化剂 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在Springer开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。 E-mail: editorial_office@nmletters.org Tel: 86-21-34207624
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[转载]Special Collection:石墨烯和其他二维材料
gcshan 2018-10-25 22:25
Special Collection:石墨烯和其他二维材 料 近十年来,自 K. Novoselov 和 A. Geim 发现石墨烯以来,由于其引人注目的特性,致力于石墨烯和其他二维材料的研究工作如火如荼。 K. Novoselov 和 A. Geim 亦因 “ 二维材料石墨烯的开创性实验 ” 摘取 2010 年诺贝尔物理学奖。近年来对石墨烯的研究进一步激发了研究人员对于其他二维材料的极大兴趣。在石墨烯之外的这些新材料中,其直系表亲硅烯和锗(硅和锗的对应物)得到了特别关注。 这些材料的低能量理论可以由類石墨烯的狄拉克费米子哈密尔顿量所描述,因此其相对较强的自旋 - 轨道相互作用大到足以使诸如硅基和锗基的材料成为非平凡的拓扑绝缘体。 此外,对单层过渡金属二硫属元素化物和层状双过渡金属碳 / 氮化物( MXenes )的研究也越来越受到关注。 由诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学 Kostya Novoselov 教授领衔,与新加坡国立大学 Daria Andreeva 教授、中科院金属所任文才教授和北航单光存教授合作为 FOP 刊组织了专题 “Graphene and other Two-Dimensional Materials” 。这一专题涵盖 2D 材料的实验合成、实验表征( ARPES , STM ,光学吸收等)、电学特性、电磁微波吸收特性、光学特性、磁学特性、拓扑特性及潜在应用等方面。文章已陆续上线,将分两部分刊载。 Special Collection: Graphene and other Two-Dimensional Materials (Part I) (Eds. Daria Andreeva, Wencai Ren, Guangcun Shan Kostya Novoselov) REVIEW The rise of two-dimensional MoS 2 for catalysis Jun Mao ( 毛军 ), Yong Wang ( 王勇 ), Zhilong Zheng ( 郑智龙 ), and Dehui Deng ( 邓德会 )* Abstract: Two-dimensional (2D) MoS 2 is used as a catalyst or support and has received increased research interest because of its superior structural and electronic properties compared with those of bulk structures. In this article, we illustrate the active sites of 2D MoS 2 and various strategies for enhancing its intrinsic catalytic activity. The recent advances in the use of 2D MoS 2 –based materials for applications such as conventional heterogeneous catalysis, electrocatalysis, and photocatalysis are discussed. We also discuss the future opportunities and challenges for 2D MoS 2 –based materials, in both fundamental research and industrial applications. REVIEW Environmental engineering of transition metal dichalcogenide optoelectronics Trevor LaMountain, Erik J. Lenferink, Yen-Jung Chen, Teodor K. Stanev, and Nathaniel P. Stern* Abstract: The explosion of interest in two-dimensional van der Waals materials has been in many ways driven by their layered geometry. This feature makes possible numerous avenues for assembling and manipulating the optical and electronic properties of these materials. In the specific case of the monolayer transition metal dichalcogenide semiconductors, the direct band gap combined with the exibility for manipulation of layers has made this class of materials promising for optoelectronics. Here, we review the properties of these layered materials and the various means of engineering their properties for optoelectronics. We summarize approaches to control using their structural and chemical environment, and we give particular detail on the integration of these materials into engineered optical fields to control their optical characteristics. This combination of controllability from their layered surface structure and photonic environment provide an expansive landscape for novel optoelectronic phenomena. REVIEW Two-dimensional materials: Emerging toolkit for construction of ultrathin high-efficiency microwave shield and absorber Mingjun Hu * , Naibai Zhang, Guangcun Shan, Jiefeng Gao, Jinzhang Liu, and Robert K. Y. Li* Abstract: Two-dimensional (2D) materials generally have unusual physical and chemical properties owing to the confined electro-strong interaction in a plane and can exhibit obvious anisotropy and a significant quantum-confinement effect, thus showing great promise in many fields. Some 2D materials, such as graphene and MXenes, have recently exhibited extraordinary electromagnetic-wave shielding and absorbing performance, which is attributed to their special electrical behavior, large specific surface area, and low mass density. Compared with traditional microwave attenuating materials, 2D materials have several obvious inherent advantages. First, similar to other nanomaterials, 2D materials have a very large specific surface area and can provide numerous interfaces for the enhanced interfacial polarization as well as the reflection and scattering of electromagnetic waves. Second, 2D materials have a particular 2D morphology with ultrasmall thickness, which is not only beneficial for the penetration and dissipation of electromagnetic waves through the 2D nanosheets, giving rise to multiple reflections and the dissipation of electromagnetic energy, but is also conducive to the design and fabrication of various well-defined structures, such as layer-by-layer assemblies, core–shell particles, and porous foam, for broadband attenuation of electromagnetic waves. Third, owing to their good processability, 2D materials can be integrated into various multifunctional composites for multimode attenuation of electromagnetic energy. In addition to behaving as microwave reflectors and absorbers, 2D materials can act as impedance regulators and provide structural support for good impedance matching and setup of the optimal structure. Numerous studies indicate that 2D materials are among the most promising microwave attenuation materials. In view of the rapid development and enormous advancement of 2D materials in shielding and absorbing electromagnetic wave, there is a strong need to summarize the recent research results in this field for presenting a comprehensive view and providing helpful suggestions for future development. RESEARCH Monolayered semiconducting GeAsSe and SnSbTe with ultrahigh hole mobility Yu Guo, Nan Gao, Yizhen Bai, Jijun Zhao * , and Xiao Cheng Zeng* (Cover story) Abstract: High carrier mobility and a direct semiconducting band gap are two key properties of materials for electronic device applications. Using first-principles calculations, we predict two types of two-dimensional semiconductors, ultrathin GeAsSe and SnSbTe nanosheets, with desirable electronic and optical properties. Both the GeAsSe and SnSbTe sheets are energetically favorable, with formation energies of −0.19 and −0.09 eV/atom, respectively, and have excellent dynamical and thermal stability, as determined by phonon dispersion calculations and Born–Oppenheimer molecular dynamics simulations. The relatively weak interlayer binding energies suggest that these monolayer sheets can be easily exfoliated from the bulk crystals. Importantly, monolayer GeAsSe and SnSbTe possess direct band gaps (2.56 and 1.96 eV, respectively) and superior hole mobility ( ~ 20 000 cm 2 × V −1 × s −1 ), and both exhibit notable absorption in the visible region. A comparison of the band edge positions with the redox potentials of water reveals that layered GeAsSe and SnSbTe are potential photocatalysts for water splitting. These exceptional properties make layered GeAsSe and SnSbTe promising candidates for use in future high-speed electronic and optoelectronic devices. RESEARCH Interfacial charge transfer in WS 2 monolayer/CsPbBr 3 microplate heterostructure Zhen-Zhong Yan, Zhao-Han Jiang, Jun-Peng Lu * , and Zhen-Hua Ni Abstract: Integration of heterogenous materials produces compelling physical phenomena and increased performance of optoelectronic devices. In this work, we integrate CsPbBr 3 microplate with WS 2 monolayer to investigate the interfacial carrier transfer mechanism in the heterojunction. The quenching of photoluminescence (PL) emission from CsPbBr 3 and WS 2 after heterostructure formation indicates efficient charge transfer in the junction. Low-temperature PL spectra reveal that the decreasing PL of WS 2 arises from the vanishing of biexcitons. Photodetection based on the WS 2 /CsPbBr 3 heterostructure is demonstrated. The higher performance from the junction further certifies the occurrence of charge transfer in the heterojunction. RESEARCH Vertically aligned γ-AlOOH nanosheets on Al foils as flexible and reusable substrates for NH 3 adsorption Chen Yang, Ying Chen * , Dan Liu, Jinfeng Wang, Cheng Chen, Jiemin Wang, Ye Fan, Shaoming Huang, and Weiwei Lei * Abstract: Vertically aligned γ-AlOOH nanosheets (NSs) have been successfully fabricated on flexible Al foils via a solvothermal route without morphology-directing agents. Three different reaction temperatures (25, 80, and 120 °C) and reaction times (30 min, 45 min, and 24 h) are discussed for the growth period, which efficiently tune the density and size of the γ-AlOOH NSs. Meanwhile, the growth speed of the nanosheets confirms that dominant growth stage is seen in the initial 45min. Furthermore, the interlayer of the γ-AlOOH NSs displays an average height of 140 nm and superhydrophilicity. By dynamic adsorption, the as-synthesized γ-AlOOH NSs exhibit an outstanding NH 3 adsorption capacity of up to 146 mg/g and stably excellent regeneration for 5 cycles. The mechanism of NH 3 adsorption has been explained by the Lewis acid/base theory between NH 3 molecules and in-plane of γ-AlOOH NSs. The H-bond interactions among the NH 3 molecules and the edge groups (-OH) further improve the capture ability of the nanosheets. 全文下载: http://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=191 -------------------------------------------- Special Collection: Graphene and other Two-Dimensional Materials (Part II) (Eds. Daria Andreeva, Wencai Ren, Guangcun Shan Kostya Novoselov) (Coming soon) PERSPECTIVE Graphene and other two-dimensional materials Kostya Novoselov*, Daria Andreeva, Wencai Ren, and Guangcun Shan REVIEW The art of designing carbon allotropes Run-Sen Zhang and Jin-Wu Jiang* Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics, Shanghai Key Laboratory of Mechanics in Energy Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China Abstract: As stimulated by the success of graphene and diamond, a variety of carbon allotropes have been discovered in recent years in either two-dimensional or three-dimensional configurations. These emerging new carbon allotropes have some quite different novel mechanical or physical properties, though they also share some common features. In this review, we comparatively survey some major properties for fifteen newly discovered carbon allotropes. By comparing their structural topology, we disclose a general routine to design most carbon allotropes from two mother structures – graphene and diamond. We also discuss several future prospects as well as the current challenges in designing new carbon allotropes. This article is part of themed collection: Graphene and other Two-Dimensional Materials (Eds. Daria Andreeva, Wencai Ren, Guangcun Shan Kostya Novoselov) REVIEW Graphene based functional devices: A short review Rong Wang, Xingang Ren, Ze Yan, Wei E.I. Sha, Li Jun Jiang*, and Guangcun Shan* Rong Wang 1 , Xin-Gang Ren 1, 2 ( ), Ze Yan 3 , Li-Jun Jiang 1 ( ), Wei E. I. Sha 4 , Guang-Cun Shan 5, 6 ( ) 1 . Department of Electrical and Electronic Engineering, The University of Hong Kong, Pokfulam Road, Hong Kong, China 2 . Key Laboratory of Intelligent Computing Signal Processing, Ministry of Education, Anhui University, Hefei 230039, China 3 . School of Instrumentation Science Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China 4 . Key Laboratory of Micro-nano Electronic Devices and Smart Systems of Zhejiang Province, College of Information Science Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China 5 . School of Instrumentation Science Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China 6 . California NanoSystem Institute and Department of Chemistry Biochemistry, University of California, Los Angeles, CA 90095, USA Abstract: Graphene is an ideal 2D material system bridging electronic and photonic devices. It also breaks the fundamental limits of electronics and photonics named speed and size, respectively. Graphene offers multiple functions of signal emission, transmission, modulation, and detection in a broad band, high speed, compact size, and low loss. Here, we will have a bird’s eye view of the graphene based functional devices at microwave, terahertz, and optical frequencies. The basic physical foundation and computational model will be discussed as well. RESEARCH Probing interlayer interactions in wse 2 -graphene heterostructures by ultralow frequency Raman spectroscopy Yue Liu ( 刘月 ), Hao Zhang ( 张昊 ) , Yu Zhou ( 周煜 ), Feirong Ran ( 冉飞荣 ), Weihao Zhao ( 赵炜昊 ), Lin Wang ( 王琳 ), Jindong Zhang ( 张锦东 ), Xiao Huang ( 黄晓 )* ( ) , Hai Li ( 李海 ) ( ) Key Laboratory of Flexible Electronics (KLOFE) Institute of Advanced Materials (IAM), Jiangsu National Synergetic Innovation Center for Advanced Materials (SICAM), Nanjing Tech University (NanjingTech), Nanjing 211816, China Abstract: Interlayer interactions at heterointerfaces of van der Waals heterostructures (vdWHs), which consist of vertically stacked two-dimensional (2D) materials, play important roles in determining their properties. The interlayer interactions are tunable from non-coupling to strong coupling by controlling the twist angle and distance between adjacent layers. However, the influence of stacking sequence and individual component thickness on the properties of vdWHs is rarely explored. In this work, the influence of stacking sequence of WSe 2 and graphene in vdWHs of graphene-on-WSe 2 (graphene/WSe 2 ) or WSe 2 -on-graphene (WSe 2 /graphene), as well as their thickness on their interlayer interaction was systematically investigated by ultralow frequency (ULF) Raman spectroscopy. A series of ULF breathing modes of WSe 2 nanosheets in these vdWHs were observed with frequencies highly dependent on graphene thickness. Interestingly, the ULF breathing modes of WSe 2 red shifted in both graphene/WSe 2 and WSe 2 /graphene configurations, and the amount of shift in the former is much larger than that in the latter. In contrast, no obvious ULF shift was observed by varying the twist angle between WSe 2 and graphene. This indicates that the interlayer interaction is more sensitive to the stacking sequence compared with the twist angle. Our results provide alternative approaches to modulate the interlayer interaction of vdWHs and thus tune their optical and optoelectronic properties. Stacking transition in rhombohedral graphite Tataiana Latychevskaia 1 , Seok-Kyun Son 2, 3 , Yaping Yang 2, 3 , Dale Chancellor 2, 3 , Michael Brown 2, 3 , Servet Ozdemir 2, 3 , Ivan Madan 1 , Gabriele Berruto 1 , Fabrizio Carbone 1 , Artem Mishchenko 2, 3 , Kostya S. Novoselov 2, 3 ( ) 1 . Institute of Physics, Laboratory for Ultrafast Microscopy and Electron Scattering (LUMES), école Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland 2 . National Graphene Institute, University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL, UK 3 . School of Physics and Astronomy, University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL, UK Abstract Few-layer graphene (FLG) has recently been intensively investigated for its variable electronic properties, which are defined by a local atomic arrangement. While the most natural arrangement of layers in FLG is ABA (Bernal) stacking, a metastable ABC (rhombohedral) stacking, characterized by a relatively high-energy barrier, can also occur. When both types of stacking occur in one FLG device, the arrangement results in an in-plane heterostructure with a domain wall (DW). In this paper, we present two approaches to demonstrate that the ABC stacking in FLG can be controllably and locally turned into the ABA stacking. In the first approach, we introduced Joule heating, and the transition was characterized by 2D peak Raman spectra at a submicron spatial resolution. The transition was initiated in a small region, and then the DW was controllably shifted until the entire device became ABA stacked. In the second approach, the transition was achieved by illuminating the ABC region with a train of 790-nm-wavelength laser pulses, and the transition was visualized by transmission electron microscopy in both diffraction and dark-field imaging modes. Further, using this approach, the DW was visualized at a nanoscale spatial resolution in the dark-field imaging mode.Keywordsgraphene graphite van der Waals heterostructures domain wall Raman spectroscopy transmission electron microscopy electron diffraction structural transition REVIEW Coulomb drag and exciton condensation in graphene double-layer heterostructures Xiaomeng Liu, Jia Li, Cory dean, and Philip Kim* Abstract: This review discusses effects and phenomena caused by interlayer interaction in graphene double-layer heterostructures, where two graphene layers are separated by a thin insulator. Two interaction-driven phenomena extensively studied in semiconductor double quantum wells, Coulomb drag and exciton condensation, are introduced. Under high magnetic fields and at low temperatures, exciton condensation was observed when electrons from two layers coherently fill one Landau level. We then focus on graphene double-layer systems and discuss the fabrication as well as the unique properties and capabilities of this new platform. Theoretical proposals and experimental attempts to realize exciton condensation in graphene double-layer under zero magnetic field are reviewed. In drag experiments, unconventional drag have been observed in monolayer graphene double-layer near charge neutrality and in bilayer graphene double-layer. Mechanisms that may cause these unconventional drag effects are examined. Under strong magnetic fields, the band structure of the graphene is flattened by Landau quantization. Study of exciton condensation in this regime is presented, with emphasis on unique observations enabled by the highly tunable and strongly interacting graphene double-layer platform. Finally, we briefly discuss open questions and prospective research directions in graphene and other 2D material double-layer systems.
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MXene材料
richor 2018-9-17 10:11
关于 MXene 材料:二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物,是由美国德雷塞尔大学( Drexel University )的 Yury Gogotsi 教授和 Michel W. Barsoum 教授等人在 2011 年合作发现的一种新型二维结构材料。 目前的引用已经上千: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201102306 其化学通式可用 M n+1 X n T z 表示 , 其中 M 指过渡族金属 ( 如 Ti , Zr , Hf , V , Nb , Ta , Cr , Sc 等 ) , X 指 C 或 / 和 N , n 一般为 1-3 , T z 指表面基团 ( 如 O 2- , OH - , F - , NH 3 , NH 4 + 等 ) . 昌英研究的Ti 2 CO 2 的结构为: \0 \0 其中,b图中蓝色上面也是有O的,只不过颜色盖住了。 大连理工在该领域做了很好的工作: http://carbon.dlut.edu.cn/info/1049/1419.htm 纳米涂覆有机物衍生碳提高MXene结构稳定性。 石墨烯是广泛使用的导电基质材料,但理想的石墨烯与多数极性分子、溶剂介质等相互作用较弱,不适用于 构筑 高性能复合电极材料。对石墨烯进行 化学功能化 可有效调变其化学反应活性与界面性质,但同时 破坏其二维共轭结构 ,从根源上限制了复合材料电化学性能的提高。 由于高比例金属原子在表面的暴露, MXene 在 氧化性气氛 中容易相变为 TiO 2 半导体并伴随 二维结构的坍塌 ,这不仅限制了 MXene 自身的应用,也对基于 MXene 的复合材料材料创制提出了巨大挑战。 结构能否稳定,是一大重点。 Yury Gogotsi 在 2017 年对 MXene 在储能领域应用的综述: http://www.cailiaoniu.com/65641.html 二维材料: http://www.cas.cn/syky/201508/t20150818_4412538.shtml 目前,除石墨烯外,二维六方氮化硼、 过渡族金属硫化物、氧化物 、 黑磷 等二维材料也被制备出来,极大地拓展了二维材料的性能和应用。 2017 年,《科学通报》出了一个专题。 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=528739do=blogid=1068014 [六方氮化硼] 与石墨是等电子体,具有白色石墨之称。 http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=156872 氮化硼纳米管,预测于 1994 年,并于 1995 年合成。 [碳纳米管] 1985 年,“足球”结构的 C60 一经发现即吸引了全世界的目光, Kroto H. W. 、 Smalley R. E. 、和 Curl R. F. 亦因共同发现 C60 并确认和证实其结构而获得 1996 年诺贝尔化学奖 。在富勒烯研究推动下, 1991 年 一种更加奇特的碳结构——碳纳米管被日本电子公司( NEC )的饭岛博士发现。
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二维材料:潜力无限的材料家族 |《科学通报》专题
热度 1 sciencepress 2017-7-25 14:51
▲ 专题封面 《科学通报》2017年第20期特邀武汉大学 付磊教授担任特约编辑组织“二维材料与器件”专题 , 专题收入了二维材料相关的研究进展和综述文章, 以便读者深入了解二维材料的研究现状,为我国的二维材料研究注入新的活力。 付磊 ,武汉大学化学与分子科学学院教授,博士生导师,教育部青年长江学者,国家自然科学基金委优秀青年科学基金获得者。以电子信息、能源领域应用为导向,着力研究石墨烯等二维材料及其异质结的可控生长、组装问题。 二维材料具有诸多令人瞩目的物理、化学性质,使其成为目前国际材料科学研究的前沿焦点。自2004 年被首次制得以来,石墨烯在电学、光学、热学和力学等方面均已展现出十分优异的性能。由于石墨烯卓越的性能源于量子限域效应,研究者随即开始探索其他性能出众的新型二维原子晶体材料,包括六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、黑磷和过渡金属碳化物等。它们性质多样且互补,涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体各种类型。从最初的输运性质,到光电器件和自旋电子器件, 再到后来的光/电催化剂、锂电池、太阳能电池、超级电容器等,二维材料已渗透入众多现有的研究领域甚至开拓出一些新兴领域,有望在下一代信息传输器件和能源存储器件领域得到广泛应用 。 虽然二维材料的制备表征、性质探索和器件应用都已取得长足的发展,但与实际应用和产业化需求还有相当远的距离,如大面积均匀的二维材料及其特定复合结构的可控制备、基于二维材料及异质结的新型低能耗高集成器件的结构设计、新型大规模器件的构筑印刷技术等,均有待进一步发展。此外,二维材料家族中仍有不少备受期待的新材料尚未被制得,部分二维材料的物理、化学性质也有待揭示。 在竞争极为激烈的国际材料科学研究大环境下,我国在二维纳米材料研究领域取得了许多重要突破,在新材料性质探索、材料可控制备与器件组装等方面均取得了令人瞩目的成绩,做出了许多开创性的工作。为了集中展示我国学者在本领域的研究成果,激发社会各界对二维材料领域的兴趣,推动同行们之间的学术交流,《科学通报》特此组织出版“二维材料与器件”专题。内容涵盖了石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物和黑磷等其他一些新型的二维材料,以及二维材料的性质调控和异质结构筑及应用等主要研究方向。 “二维材料与器件(Ⅰ)” 侧重二维材料的制备,主要涉及石墨烯、六方氮化硼等传统二维材料和黑磷、第四主族金属硫族化合物、第五主族元素烯等新型二维材料,同时包含异质结这类重要的二维材料的复合结构,从材料的可控制备、性质调控和器件应用三方面详细介绍了二维材料的研究进展。 “二维材料与器件(Ⅱ)” 专题则侧重二维材料在器件和能源方面的应用,主要涉及到二维材料在光电检测、锂离子电池、电解水、气体传感及逻辑集成器件方面的应用。 在此,对参与本专题的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的辛勤劳动表示衷心的感谢! “二维材料与器件(Ⅰ)“专题篇目 进展 ◢ 第四主族金属硫族化合物二维材料研究进展 王靖慧, 焦丽颖 评述 ◢ 绝缘衬底上石墨烯的化学气相沉积制备与器件应用 杨超, 吴天如, 王浩敏, 谢晓明 ◢ 过渡金属硫属化合物层间异质结构的可控制备和能源应用 史建平, 周协波, 张哲朋, 张艳锋 ◢ 化学气相沉积法制备h-BN 杨云畅, 武斌, 王立锋, 刘云圻 ◢ 表面化学修饰调控无机二维纳米材料的磁性及其应用 朱小姣, 郭宇桥, 吴长征 ◢ 石墨烯打开带隙研究进展 徐小志, 余佳晨, 张智宏, 刘开辉 ◢ 第五主族材料: 从三维到单层材料 黄雅歆, 张胜利, 郭诗颖, 周文瀚, 宋秀峰, 吉建平, 霍成学, 曾海波 ◢ 二维黑磷的制备及表面修饰技术研究进展 赵岳涛, 王怀雨, 喻学锋 ◢ 二维材料异质结的可控制备及应用 肖遥, 江贝, 杨柯娜, 张涛, 付磊 论文 ◢ 化学气相沉积法在Cu-Ni合金衬底上生长多层六方氮化硼 杨鹏, 吴天如, 王浩敏, 卢光远, 邓联文, 黄生祥 专题全文链接 ↓↓ http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/CSB/62/20?slug=Browse “二 维材料与器件(II)”即将出版,敬请期待!
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Nature:物理学家设计出导电接近光速的二维材料
zhpd55 2017-4-27 15:15
Nature : 物理学家设计出导电接近光速 的 二维材料 诸平 UCI physicist Jing Xia (right, with graduate student Alex Stern) calls the fiber-optic Sagnac interferometer he built the most sensitive magnetic microscope in the world. He compares it to a telescope that an ornithologist in Irvine could use to inspect the eye of a bird in New York. Credit: Steve Zylius / UCI 据 加州大学欧文分校 ( University of California, Irvine , UCI) 2017 年 4 月 26 日 提供的消息,下面照片上的 右 边一位就是该校的 物理学家夏 晶 (Jing Xia 音译),而另一位是 研究生亚历克斯 · 斯特恩 ( Alex Stern ), 夏 晶声称他已经 建造 出 世界上最敏感的磁力显微镜 即 光纤萨尼亚克干涉仪 ( Sagnac interferometer ) 。 将其 比作一 架在 欧文 的 鸟类学家可以用 其 来检查 纽约一只 鸟眼睛 的 望远镜。 加州大学欧文分校 ( University of California, Irvine ) 和其他地方 的 物理学家 , 已经 制造 出 新的突破电和磁属性 的 二维量子材料 , 可以 用其来构建 未来 的 量子计算机 及其他 等先进的电子 产品 。 2017 年 4 月份,有 3 个独立的研究 已经 在本月的《自然》 ( Nature ) , 《 科学进展 》( Science Advances ) 以及《自然材料》( Nature Materials ) 杂志 上发表 , 美国 UCI 的研究人员 和 加州大学伯克利分校 ( UC Berkeley )、 劳伦斯伯克利国家实验室 ( Lawrence Berkeley National Laboratory )、 普林斯顿大学 ( Princeton University ) , 中国 复旦大学 以及美国 马里兰大学 ( University of Maryland ) 的 研究人员合作开发出 二维 态新材料后对其物理性质进行研究, 确定 它 们可以 将 计算机速度和 功率推进到 新 的 高度。 更多信息请浏览 Cheng Gong , Lin Li , Zhenglu Li , Huiwen Ji , Alex Stern , Yang Xia , Ting Cao , Wei Bao , Chenzhe Wang , Yuan Wang , Z. Q. Qiu , R. J. Cava , Steven G. Louie , Jing Xia , Xiang Zhang . Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van der Waals crystals . Nature , 2017 , DOI: 10.1038/nature22060 . Published online : 26 April 2017 . Abstract The realization of long-range ferromagnetic order in two-dimensional van der Waals crystals, combined with their rich electronic and optical properties, could lead to new magnetic, magnetoelectric and magneto-optic applications 1 , 2 , 3 , 4 . In two-dimensional systems, the long-range magnetic order is strongly suppressed by thermal fluctuations, according to the Mermin–Wagner theorem 5 ; however, these thermal fluctuations can be counteracted by magnetic anisotropy. Previous efforts, based on defect and composition engineering 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , or the proximity effect, introduced magnetic responses only locally or extrinsically. Here we report intrinsic long-range ferromagnetic order in pristine Cr 2 Ge 2 Te 6 atomic layers, as revealed by scanning magneto-optic Kerr microscopy. In this magnetically soft, two-dimensional van der Waals ferromagnet, we achieve unprecedented control of the transition temperature (between ferromagnetic and paramagnetic states) using very small fields (smaller than 0.3 tesla). This result is in contrast to the insensitivity of the transition temperature to magnetic fields in the three-dimensional regime. We found that the small applied field leads to an effective anisotropy that is much greater than the near-zero magnetocrystalline anisotropy, opening up a large spin-wave excitation gap. We explain the observed phenomenon using renormalized spin-wave theory and conclude that the unusual field dependence of the transition temperature is a hallmark of soft, two-dimensional ferromagnetic van der Waals crystals. Cr 2 Ge 2 Te 6 is a nearly ideal two-dimensional Heisenberg ferromagnet and so will be useful for studying fundamental spin behaviours, opening the door to exploring new applications such as ultra-compact spintronics.
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2017年第4期特邀综述推荐——二维过渡金属硫属化合物
Chineselaser 2017-3-28 16:16
郑婷 南海燕 吴章婷 倪振华 东南大学物理系 摘要 以二硫化钼(MoS2)为代表的二维过渡金属硫属化合物(TMDs)具有随厚度/层数变化的光学和电学性质,并且展示出独特的激子效应和较高的光学量子产率,在光电子器件中有重要的应用前景。近年来,基于TMDs材料的光学性质和光电器件研究进展迅速,如:通过电场、化学掺杂、缺陷等方式实现了对其荧光的调控,并极大地提升了其荧光发射量子产率;基于TMDs边带异质结和垂直异质结的发光二极管(LEDs)被广泛研究并获得了较高的光发射效率;以TMDs作为增益介质,并将其与微盘、光子晶体空腔等耦合实现了低阈值激光发射。本文中我们将从TMDs的结构和光学性质出发,总结TMDs材料荧光的调控手段及效果,并介绍TMDs中激光发射的研究进展,最后对基于TMDs的光电子器件的发展进行展望。 (本文发表在《激光与光电子学进展》2017年第4期, 点击阅读全文 )
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《激光与光电子学进展》特邀综述推荐——二维过渡金属硫属化合物
Chineselaser 2017-3-28 15:29
郑婷 南海燕 吴章婷 倪振华 东南大学物理系 摘要 以二硫化钼(MoS2)为代表的二维过渡金属硫属化合物(TMDs)具有随厚度/层数变化的光学和电学性质,并且展示出独特的激子效应和较高的光学量子产率,在光电子器件中有重要的应用前景。近年来,基于TMDs材料的光学性质和光电器件研究进展迅速,如:通过电场、化学掺杂、缺陷等方式实现了对其荧光的调控,并极大地提升了其荧光发射量子产率;基于TMDs边带异质结和垂直异质结的发光二极管(LEDs)被广泛研究并获得了较高的光发射效率;以TMDs作为增益介质,并将其与微盘、光子晶体空腔等耦合实现了低阈值激光发射。本文中我们将从TMDs的结构和光学性质出发,总结TMDs材料荧光的调控手段及效果,并介绍TMDs中激光发射的研究进展,最后对基于TMDs的光电子器件的发展进行展望。 (本文发表在《 激光与光电子学进展 》2017年第4期, 点击阅读全文 )
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招访问学生学者,国内外联陪博士生,博士后 二维材料,能源材料
热度 2 cspring 2015-12-2 00:07
学校发展需要,与国内顶尖高校(清北哈工大)及港澳及香港地区大学联合启动硕博研究生招生项目,欢迎感兴趣的优秀同学应招。 具体请看《南方科技大学与境内外大学联合培养博士生项目招生简章》 http://www.sustc.edu.cn/admission_2 内地博士生采取申请考核录取的方式,境外大学博士生需满足对方大学录取条件,一旦录取提供全额奖学金保证学业和研究的圆满完成,颁发合作大学博士学位。 南方科技大学材料系 程春教授(省杰青)课题组(微纳材料)提供以下研究方向: http://www.sustc.edu.cn/mse_04/f/Cheng_Chun 一:研究方向:(a) 二氧化钒微纳米线制备与应用研究 (b) 二维纳米材料与器件(3)钙钛矿太阳能电池 二:招收要求: (1)物理、材料、化学或相关领域硕士毕业; (2)具有较强英文阅读与写作能力。发表过SCI文章优先考虑; (3)具有CVD合成经验,纳米器件制备与测量,纳米尺度固体物理研究背景。有相变材料与微纳热传导研究经验者优先; (4)工作勤奋踏实,积极主动。希望以后攻读博士学位的优先。 请同学们踊跃发送简历到 chengc@sustc.edu.cn , 提前预报名,对于合格的同学,我会在各个项目启动的第一时间通知申请(各个项目启动时间不一致) -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 课题组长期招收物理、化学、电子、材料类客座学生,访问学者,可从事课题组相关方向,也可以自带课题, 实验室仪器高端齐备,经费逾千万。 招收联培学生待遇: 1. 研究内容:可以与研究生所在学校导师协商,文章双方导师共同通讯,学生第一作者,尽量保证双方利益。对于优秀的可以推荐国内外联陪读博。 2. 培训及发展:国内外各领域知名专家教授专业指导;定期专业论坛及讲座;有海外交流机会;全额资助学生参加国际专业会议。 3. 提供条件:报销单程来深费用(按火车硬卧标准);联陪硕士学生提供1500元生活补助;博士学生提供2500元的生活补助;访问学者待遇另议;提供500元的住房补贴。 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 课题组长期招收研究助理、博士后(年薪22~30万),无机化学、材料化学与物理,凝聚态物理背景的优先考虑,同时欢迎国内外课题组的合作研究! 岗位待遇: 1. 在相关专业领域已取得突出的学术成绩和科研成果优秀博士将能够申请南科大设立的校长卓越博士后计划:年薪为30万元整,其中市财政生活补贴12万元/年(免税);对于资质优异的博士,导师将积极帮助推荐。 2. 未能入选校长卓越博士后计划的博士后年薪最低为22万元起,最高同样可达30万元(具体待遇视个人资历和能力面议),其中含有深圳市12万元整的高额免税补贴;组内经费充裕、科研气氛极好、设备先进齐全,并提供良好的办公、住宿和科研条件。 3. 市政府对出站后留深工作者给予10万元科研启动经费(可算做个人奖励); 4. 出站留深工作,符合深圳市后备级或孔雀计划人才条件的可获80-100万元的住房补贴; 5. 出站留深进行科研工作的具有海外留学经历的,可申请获得300万的孔雀计划科研启动经费。 应聘流程: 1. 申请人将详细的申请材料发送到程春教授邮箱: chengc@sustc.edu.cn ,邮件标题请注明“姓名+博士毕业学校+应聘职位” (如,张三XX大学应聘博士后职位)。 申请材料需包括:(1) 详细的个人简历,含学习、工作和科研的经历,主要科研成果(如论文论著、成果证书或奖励)清单以及联系方式;(2) 2-3推荐人的姓名及有效联系方式;(3) 其他可以证明工作能力的材料。(4)代表论文 2. 通过简历初步遴选者,将在一周内获得电话面试或视频面试通知。 3. 通过电话面试者将被邀请到南科大现场面试 ,通过现场面试者将依照相关程序办理博士后入站手续。 博士后名额不限,请优秀的博士踊跃投简历!
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[转载]石墨烯:未来材料宠儿
wangxiaog04 2014-1-15 14:51
今年3月,浙江大学利用石墨烯等材料制成世界“最轻材料” 2013 年12月10日 新华网 想在一秒钟内下载一部高清电影吗?石墨烯调制器的问世或许能让这个愿望得以实现。 美国华裔科学家张翔教授的研究团队用石墨烯研制出一款调制器,这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力,有望将互联网传输速度提高一万倍。 石墨烯无疑是过去十年,乃至未来几十年,所有材料“明星”中最耀眼的一颗。 虽然发现至今尚不足十年,石墨烯却不断在科学界、产业界引发一轮轮波澜。随着人们对它的认识逐渐明晰,其神秘面纱就像发现之初那样被一层层揭开――薄且坚硬,透光度好,导热性强,导电率高,结构稳定, 电子迁移 速度快,能在常温下观察到量子霍尔效应…… 从假设到现实 石墨烯是构成石墨、木炭、碳纳米管和富勒烯等碳同素异形体的基本单元材料,是一种二维晶体。 石墨烯的结构一直被认为只存在于理论之中,无法单独稳定存在。直至2004年,英国物理学家安德烈 ・ 海姆和康斯坦丁 ・ 诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出石墨烯,才证实它可以单独存在。 最初,科学家从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。通过反复的操作,石墨片变得越来越薄。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。 凭借“在二维石墨烯材料的开创性实验”,这两位科学家共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。 石墨烯的发现,之所以意义重大,是因为它创造了诸多“纪录”。 石墨烯是世上最薄的材料。 “石墨烯只有0.34纳米厚,十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径,人们用肉眼是看不见它的。”中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞接受《中国科学报》记者采访时如此描述。 石墨烯是人类已知强度最高的物质。 它比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。 哥伦比亚大学的物理学家用金刚石制成的探针测试石墨烯的承受能力,在被实验的石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每100纳米距离上可承受的最大压力竟然达到了2.9微牛左右。这意味着,“如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品”。 石墨烯电阻率极低,电子迁移的速度极快。 在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,迁移速率仅为光速的1/300,远远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。 “电子在石墨烯里边好像没有质量一样,运动速度非常快。”中国科学技术大学教授曾长淦在接受《中国科学报》采访时表示,“电子能量不会被损耗的特点,使这种材料具有了非比寻常的优良特性。” 它的另一特性让材料学家更为惊喜,该材料几乎完全透光,透光率在97%以上。 2012 年,美国IBM公司成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路,使得石墨烯特殊的电学性能彰显出应用前景。中科院院士高鸿钧对此表示:“石墨烯材料具有优异的 电学性质 ,有望被用于制造新一代高性能电子学器件。” 引导科技革命 石墨烯神秘又神奇的特殊性能让人们对它的应用充满幻想。 在国内,有关石墨烯的应用研究开展得如火如荼。 我国在石墨烯的基础研究与产业化推进中处于世界前列,多支研究队伍在石墨烯的性能研究与制备技术方面取得突破性成果。 其中,中国科学院重庆绿色智能技术研究院的石墨烯薄膜制备技术以2.1亿元人民币的价格实现转让,更是让研究者与开发者蠢蠢欲动。 在世界范围内,针对石墨烯研究与应用的热潮在持续涌动。 据剑桥知识产权公司的统计数据显示,截至今年5月,全球已经获批和正在申请的石墨烯专利共计9218项,专利申请数量在过去5年更是增加了4倍;自2004年开始,石墨烯领域的相关研究论文呈指数上升趋势,迄今论文总数已超过2万篇,仅2012年一年就超过了6000篇。 “从来没有一种材料能像石墨烯这样在各个领域都广受关注。”曾长淦感慨,虽然国内外目前还没有实实在在的石墨烯产品问世,“但它是众多‘明星’材料中最接近应用的材料。” 超轻防弹衣、超薄超轻型飞机、超薄能折叠的手机、高强度航空材料、高性能储能和传感器、超级电容器,甚至更富想象力的太空电梯,越来越多基于石墨烯材料的未来设备进入科学家的研究视野。 其中,透明电极的应用最引人注目。 “石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。”曾长淦表示,如今电子产品中的触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等都需要良好的透明电导电极材料。 传统的电导电极应用的是氧化铟锡,而这种材料脆度较高,比较容易损毁。 与之相比,石墨烯不仅更加坚硬,性能也更好。 “氧化铟锡光通过率比较低,用石墨烯的话,显示器的屏幕会更亮。”曾长淦告诉记者,石墨烯在透明电极方面的应用会大幅降低电子设备的成本,并使其更省电、更清晰,“十年内,石墨烯在透明电极方面肯定能够实现商业化”。 97% 以上的光通过率在为透明电极的应用带来变革的同时,也使太阳能产业的升级成为可能。 据专家介绍,当前市面上的太阳能电池板基本为多晶硅,其光电转换率为30%左右,而石墨烯太阳能技术的光电转换效率高达60%,是现有多晶硅太阳能技术的2倍。 近期,美国麻省理工学院与苹果公司相继发布研究报告,论述了石墨烯作为太阳能电池为电子设备提供能源的可能,苹果公司更是为此提交了专利申请,为在电子设备中搭载石墨烯太阳能电池提供解决方案。 中科院宁波材料技术与工程研究所研究员刘兆平在接受《中国科学报》记者采访时表示,石墨烯微片可以与锂离子电池电极活性材料颗粒形成二维导电接触,在电极中构建三维导电网络,因而可大幅提升电池综合性能。 初步实验结果表明,与常规方案的电池相比,采用石墨烯导电剂的钴酸锂电池容量高出3%,放电容量从72%提高到92%。 突破制备技术 制备技术是石墨烯进入应用领域、实现产业化的拦路虎之一 尽管国内外科学家对石墨烯的研究越来越透彻,对其应用的探索成果也不断涌现,然而市面上却鲜有真正的石墨烯材料产品问世。 制备技术是石墨烯进入应用领域、实现产业化的拦路虎之一。高成本的制备技术推升了石墨烯的市场价格,其价格一度达到每克5000元,是黄金的十几倍。 高鸿钧在去年年底召开的以石墨烯为主题的香山科学会议上直言,我国在石墨烯制备方法研究领域还面临较大挑战。“挑战主要在于如何制备大面积、 杂质缺陷 可控的高质量单晶材料以及如何改进现有硅基工艺融合的石墨烯加工技术。” 尽管如此,我国科学家在石墨烯的制备技术研发方面仍然实现了重大突破。 刘兆平率领研究团队历经多年努力,研发出了石墨烯产业化制备技术,将石墨烯的制造成本从每克5000元降至每克3元 ,直接带来国外客户的大量订单。 今年年初,中科院重庆绿色智能技术研究院宣布实现了15英寸 单层石墨烯的制备 ,并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上,制备出7英寸石墨烯触摸屏。 值得一提的是,上述两个研究团队均与上海南江集团联合创建了专业的石墨烯生产公司,分别量产石墨烯微片与石墨烯薄膜。 微尺度物质科学国家实验室的曾长淦研究团队更是另辟蹊径,将常规的基于气态碳源的铜表面石墨烯生长需要1000℃的高温降至300℃,创造了石墨烯化学气相沉积法生长的最低温度。 “随着石墨烯制备技术的升级,产业化生产的条件也不断成熟,相信在未来几年,石墨烯制成的新产品将不断涌现。”曾长淦表示。
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