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北京大學物理學院寬禁帶半導體研究中心沈波和楊學林課題組與俞大鵬、劉開輝課題組合作，成功實現了Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的外延生長，相關工作于2019年7月23日在Advanced Functional Materials上在線刊登 [doi.org/10.1002/adfm.201905056]。 GaN基寬禁帶半導體具有帶隙大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度大等優異，能夠滿足現代電子技術對高溫、高頻、高功率等性能的要求，對國家的高技術發展和國防建設具有重要意義。由于缺乏天然的GaN單晶襯底，GaN基半導體材料和器件主要在異質襯底上外延生長。因具有大尺寸、低成本及易于集成等優點，Si襯底上外延GaN成為近年來學術界和產業界高度關注的熱點領域。 目前用于GaN外延生長的Si襯底主要是Si(111)襯底，其表面原子結構為三重排列，可為六方結構的GaN外延提供六重對稱表面。然而，Si(100)襯底是Si集成電路技術的主流襯底，獲得Si(100)襯底上GaN外延薄膜對于實現GaN器件和Si器件的集成至關重要。但Si(100)表面原子為四重對稱，外延生長時無法有效匹配；同時Si(100)表面存在二聚重構體，導致GaN面內同時存在兩種不同取向的晶疇。迄今國際上還未能實現標準Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的外延生長。圖 Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的外延生長 沈波和楊學林課題組創造性地使用單晶石墨烯作為緩沖層，在Si(100)襯底上實現了單晶GaN薄膜的外延生長，并系統研究了石墨烯上GaN外延的成核機理和外延機制。該突破不僅為GaN器件與Si器件的集成奠定了科學基礎，而且對當前國際上關注的非晶襯底上氮化物半導體外延生長和GaN基柔性器件研制具有重要的指導價值。

項目成果/簡介:世界上有數以百萬的語言障礙患者，其中有的是由于先天缺陷導致其存在語言功能障礙，也有的是后天的一些疾病致使其喪失語言功能，語言功能障礙給他們的生活帶來了極大的困難和不便。電子人工喉是一種簡易的語言康復方法，其通常需要安裝在口內喉部，由肺部發出的氣流經過舌、唇的調制，引起人工喉膜片振動，使其發出語音信號。然而，現有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發音模糊，訓練周期長，并且需要患者自己手持助

01. 成果簡介 世界上有數以百萬的語言障礙患者，其中有的是由于先天缺陷導致其存在語言功能障礙，也有的是后天的一些疾病致使其喪失語言功能，語言功能障礙給他們的生活帶來了極大的困難和不便。電子人工喉是一種簡易的語言康復方法，其通常需要安裝在口內喉部，由肺部發出的氣流經過舌、唇的調制，引起人工喉膜片振動，使其發出語音信號。然而，現有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發音模糊，訓練周期長，并且需要患者自己手持助音器于喉部，造成極大不便，所以亟需便于失語者攜帶、操作簡單、性能優異的新型人工喉的器件及系統研究。 本成果團隊研究的第二代石墨烯智能人工喉（WAGT）在器件柔性可貼附、聲音收發系統集成、動作監測系統、輕型可穿戴等方面有了重大突破。首先，第二代石墨烯人工喉采用了更貼合人體皮膚的紋身式薄膜作為襯底，無需膠帶粘貼，可直接貼敷在人體喉嚨，極大地提高了佩戴舒適感；其次，第二代石墨烯智能人工喉在收發聲系統方面有了雙重突破，實現了石墨烯的器件級應用至系統級應用的跨越。通過專用電路對聲音信號的放大和轉換，第二代石墨烯智能人工喉首次將收聲系統和發聲系統連接起來，實現了聲音輸入到輸出的閉環，并可以通過示波器實時觀測喉部運動情況。接著，通過與單片機的結合，該器件可以將人體喉部的不同動作“翻譯”成不同的聲音，實現了動作發聲系統。通過連接解碼器，該器件還可以播放任意音樂。最后，第二代石墨烯智能人工喉系統可通過臂包穿戴在胳膊上，首次實現了石墨烯人工喉的可穿戴功能。未來將進行體積更小及功能更多的集成，有望實現像“創可貼”一樣貼附在人體喉部并幫助失語者“開口說話”。圖1. 可穿戴的第二代智能石墨烯人工喉系統02. 應用前景 第二代智能石墨烯人工喉集收聲和發聲于一體，可直接貼附于失語者喉部，并將喉部的不同動作轉化為對應聲音，有望幫助失語者正常與他人“交談”。在未來，該器件將與聲紋識別、機器學習等技術結合，在語音識別、家庭醫療等領域具有廣闊前景。03. 知識產權 已獲得國家發明專利授權2項。04. 團隊介紹 本成果項目團隊負責人為任天令教授，清華大學信息科學技術學院副院長，教育部長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，清華大學環境與健康傳感技術研究中心副主任。擔任IEEE電子器件學會副主席（中國大陸首次）、國際微電子領域頂級學術會議IEDM執委（中國大陸首次）、IEEE電子器件學會教育委員會主席（中國大陸首次）、中國微米納米技術學會理事等。近年來，承擔國家自然科學重點基金、國家重大科技專項、國家公益性行業科研專項、國家重大儀器專項、國家863計劃、國家973計劃等多項國家重要科技項目，做出一系列具有重要國際影響的創新學術成果。主要研究方向為智能微納電子器件、芯片與系統，包括：智能傳感器與智能集成系統，二維納電子器件與芯片，柔性、可穿戴器件與系統，智能信息器件與系統技術等。在國內外重要學術期刊和會議發表重要SCI期刊論文400余篇，國際微電子領域頂級學術會議IEDM論文11篇；獲國內外發明專利70余項，入選2018年愛思唯爾（Elsevier）“中國高被引學者”（微電子領域唯一入選者）。獲2018年電子學會自然科學一等獎，“石墨烯智能人工喉”榮獲科技導報評選的2017“中國十大重大技術進展”，“人工智能微納電子器件”榮獲2017“清華大學十大重大學術成果”，石墨烯“人工喉”在2018年全國科技活動周被評為“最受公眾喜愛項目”，還入選2018年中國國際智能產業博覽會十大“黑科技”創新產品（從1082項創新產品中脫穎而出）。團隊成員有副教授、助理教授、助理研究員等7人。05. 合作方式 技術許可。06. 聯系方式 郵箱：qyc16@mails.tsinghua.edu.cn、liuyi2017@tsinghua.edu.cn

本發明公開了一種交變磁場發生裝置交變磁場產生方法，包括 兩極電磁鐵，螺線管線圈，第一磁場探測線圈，第二磁場探測線圈， 兩相同步電流源，控制單元和相位檢測器；螺線管線圈的中心和兩極 電磁鐵氣隙中心重合，螺線管線圈的軸線垂直于兩極電磁鐵平面；第 一磁場探測線圈放置于螺線管線圈內壁上，且軸線在 X 軸上；第二磁 場探測線圈放置于螺線管線圈的中心；控制單元的相位信息輸入端與 相位檢測器連接，第一感應電壓輸入端與第一磁場探測線圈連接，第 二感應電壓輸入端與第二磁場探測線圈連接，輸出端與兩相同步電流 源的控制端

本實用新型公開了一種單相半橋多電平交-直-交變換器，其兩個隔離變壓器(1a)、(1b)的次繞組T12、T22分別和交-直-交變換器的兩端相連；交-直-交變換器2的橋臂(2a)、橋臂(2b)采用二極管箝位多電平半橋結構，其中兩電平結構不需要箝位二極管；直流側(2c)采用n-1個大小相等的電容均壓(兩電平結構電容數為2)，且其中性點O與兩個隔離變壓器的次邊繞組T12、T22的末端M、N相連；控制電路3分別采集隔離變壓器(1a)、(1b)原邊α、β的電壓、負載電流、交-直-交變換器2兩端電流進行控制。該種裝置使同相供電系統擁有更大的供電容量，更高的供電等級和相對更高的開關頻率，以及在性能上有更大的優勢，并且相對于全橋結構能夠節省資源降低成本。

在金屬鋰-硫二次電池中，鋰與硫完全反應后生成 Li2 S ，能夠發生多電子反應(2個電子反應)，釋放出超常的電化學容量，其電極理論比容量為1672mAh/g，以此構建的電池體系理論能量密度將達到2600Wh/kg，完全可以滿足現代信息技術和電動汽車領域對化學電源高能量密度和安全性的要求。但是金屬鋰容易形成枝晶而引發安全問題。單質硫正極材料具有導電性能低，特別是在有機電解液中的溶解性制約了其在高能二次電池體系中的發展。 本課題采用室溫離子液體做電解液，提出了用“納

市場背景1：根據中國機械工業聯合會統計，基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業對換熱器穩定的需求增長，我國換熱器產業在未來一段時期內將保持穩定增長。預計 2010 年至 2020 年期間，我國換熱器產業將保持年均 10-15%左右的增長速度，2015 年，我國換熱器產業規模已突破 880 億元，到 2020 年我國換熱器產業規模有望達到1500億元。 市場背景2：2016年國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，“突破石墨烯產業化應用技術”被寫入規劃。2017年1月《新材料產業發展指南》正式公布，石墨烯成為新材料產業發展的先導性產業。據前瞻研究院數據顯示，2017年我國防腐涂料（常規防腐涂料和重防腐涂料）全年產量達到561萬噸，占涂料總產量的27%左右。2013年以來，涂料產量年均增長率在5.5%左右，而我國防腐涂料達到12%左右，是增長最快的涂料品種之一；2018年防腐涂料總產量或達到600萬噸以上，2020年總產量可突破700萬噸。

項目成果/簡介:市場背景1：根據中國機械工業聯合會統計，基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業對換熱器穩定的需求增長，我國換熱器產業在未來一段時期內將保持穩定增長。預計 2010 年至 2020 年期間，我國換熱器產業將保持年均 10-15%左右的增長速度，2015 年，我國換熱器產業規模已突破 880 億元，到 2020 年我國換熱器產業規模有望達到1500億元。 市場背景2：2016年國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，“突破石墨烯產業化應用技術”被寫入規劃。2017年1月《新材料產業發展指南》正式公布，石墨烯成為新材料產業發展的先導性產業。據前瞻研究院數據顯示，2017年我國防腐涂料（常規防腐涂料和重防腐涂料）全年產量達到561萬噸，占涂料總產量的27%左右。2013年以來，涂料產量年均增長率在5.5%左右，而我國防腐涂料達到12%左右，是增長最快的涂料品種之一；2018年防腐涂料總產量或達到600萬噸以上，2020年總產量可突破700萬噸。應用范圍:目前國內外水蒸氣空氣預熱器基本都是翅片管式，節能效果有待提高； 目前國內外成熟的蒸發式冷凝器基本都是管狀或橢圓狀，緊湊度不高，單位面積熱負荷有待提高，特別針對化工產品如甲醇汽冷凝，要求系統壓降低和尾氣回收等指標，難以達到； 目前國內外煙氣空氣預熱器基本采用管式，或回轉式，管式占地面積達，換熱系數不高，回轉式漏風嚴重并且維修成本較高； 目前國內外解決金屬表面腐蝕問題，基本采用搪瓷涂層，但搪瓷涂層導熱系數低，不到1 W/（m·k）左右，而且搪瓷由于應力及金屬與搪瓷線膨脹系數不一致，易導致崩瓷現象。項目階段:批量生產效益分析:1）新型板式水蒸氣空氣預熱器。與翅片管相比，節約水蒸汽15-30%，該項目目前屬產業化階段； 2）新型中間排液板式蒸發式冷凝器。與普通蒸發式冷凝器相比，節電節水30%，系統壓降降低約0.1MPa，該項目目前屬產業化階段； 3）新型板式空氣預熱器。燃煤、燃氣及燃油鍋爐空預器，節能減排效果明顯，該項目目前屬產業化階段； 4）耐腐蝕耐磨超導熱疏水性石墨烯復合涂層。解決各領域換熱設備表面的腐蝕問題，導熱問題及結垢問題，節能減排效果明顯。該項目目前屬產業化階段。

（專利號：ZL 201410081975.1） 簡介：本發明公開一種超級電容器用中空球形多孔石墨烯的一步法制備方法，屬于炭材料制備技術領域。該方法以可塑性的煤瀝青為碳源，納米氧化鎂為導向模板，氫氧化鉀為活化劑，三者干法研磨混合后的混合物轉移至剛玉舟中，置于管式爐內在常壓或負壓的條件下進行加熱，一步法制得超級電容器用中空球形多孔石墨烯材料。本發明直接以富含芳環、廉價的煤瀝青為原料，大大簡化了制備工藝，增加了操作安全性。本發明具有工藝簡單、成

層間轉角在層狀堆垛的二維材料體系中提供了一個全新的自由度來調控其結構與性質。近幾年，相關方面的研究引起了廣泛的關注。早在2012年，何林課題組就開始關注轉角對雙層石墨烯結構和電學性質的影響，測量了不同轉角雙層石墨烯的兩個范霍夫峰的峰間距能量與轉角大小的關系[1]，并預言該體系中的準粒子具有可調控的手征性[2]，研究了應變結構在該體系產生的贗磁場和贗朗道能級[3]。2015年，何林團隊發現雙層轉角石墨烯體系費米速度隨角度減小而迅速下降，證明在轉角為1.1度(第一魔轉角)附近時費米速度降為零[4]，并于2017年，在轉角接近魔轉角的雙層石墨烯體系觀察到強電子-電子相互作用[5]。2018年初MIT的Pablo課題組在魔角雙層石墨烯觀察到電子-電子相互作用導致的關聯絕緣體態和超導態，魔角雙層石墨烯物性研究迅速成為過去兩年凝聚態物理研究的最大熱點。 近期，何林課題組發展了一套方法，能夠可控地制備利于掃描隧道顯微鏡系統（STM）研究的雙層轉角石墨烯，并利用STM研究了小角度雙層石墨烯的性質，深入探索該體系由于電子-電子相互作用導致的平帶簡并度解除和新奇強關聯量子物態的關聯。例如，何林課題組與合作者發現當小轉角體系的平帶被部分填充時，電子-電子相互作用會解除平帶的谷贗自旋簡并度，在體系中產生很大的軌道磁矩（每個莫爾約10μ_B），由于軌道磁矩和磁場的耦合，谷極化態的劈裂能量會隨著外加磁場線性增大[6]。同樣的結果也在應變引起的平帶中觀察到了，當雙層石墨烯的轉角接近魔角時，體系中微小的應變結構可以使兩個范霍夫峰之間出現一個新的零能量平帶（贗朗道能級），何林課題組與合作者發現電子-電子相互作用會解除贗朗道能級的谷贗自旋簡并度，產生軌道磁性態[7]。這些結果表明小轉角石墨烯體系是研究二維軌道磁性態和量子反常霍爾效應的理想平臺。在角度大于魔角的小轉角雙層石墨烯中，何林課題組與合作者證明電子-電子相互作用依然會起重要作用，并有可能產生完全不同于魔角雙層石墨烯的新奇強關聯量子物態。例如在1.49度的樣品中，他們證明電子-電子相互作用解除了體系平帶中的自旋和谷贗自旋的簡并度，產生了一種全新的自旋和谷極化的金屬態[8]，這一結果進一步拓寬了轉角體系新奇強關聯量子物態的研究范圍。 除了電學性質受層間轉角的調制，在雙層轉角石墨烯體系，由于層間堆垛能與層內晶格畸變引起的應變能的競爭，其原子結構也會隨著角度發生改變。最近，何林課題組系統研究了雙層轉角石墨烯結構隨著角度的演化，發現當轉角大于魔角時，體系可以看作兩個獨立的剛性石墨烯層發生扭轉，層內晶格畸變幾乎可以忽略（定義為非重構結構）；當轉角小于魔角時，由于莫爾條紋周期較大，層間堆垛能占主導，從而引起晶格畸變產生堆垛的疇界（domain wall）網格（定義為重構結構）。這種疇界的兩邊都是Bernal堆垛的雙層石墨烯（分別為AB堆垛和BA堆垛），能傳輸谷極化的電流（圖一）。我們利用STM證明非重構和重構的兩種結構在魔角附近都能穩定存在。進一步，我們發現利用STM針尖脈沖可對魔角雙層石墨烯的非重構和重構結構進行切換，從而開關其二維導電拓撲網格。同時，我們發現在強關聯效應中起到重要作用的魔角雙層石墨烯平帶的帶寬也能在這一過程中被調控[9]。相關成果近日刊發在物理學期刊《Physical Review Letters》上。何林教授課題組博士生劉亦文為第一作者，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的蘇贏博士為文章的共同第一作者，何林教授為通訊作者。