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石墨烯中電子除了自旋這個內(nèi)秉自由度，還有子格贗自旋和谷贗自旋自由度。石墨烯中電子的多自由度給石墨烯帶來了很多新奇的物理性質(zhì)。單原子缺陷是材料體系中最簡單的缺陷形式，可以作為一種模型體系來幫助了解缺陷對材料性質(zhì)的影響和調(diào)控。物理學(xué)系何林教授課題組長期致力于研究石墨烯中的單原子缺陷，發(fā)現(xiàn)缺陷可對石墨烯中自旋、子格贗自旋和谷贗自旋相關(guān)的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生深刻影響。例如，他們利用掃描隧道顯微鏡（STM）首次證實石墨烯中單原子空位缺陷存在局域自旋磁矩，并在原子尺度上實現(xiàn)了對其自旋磁矩調(diào)控，實現(xiàn)了三種自旋量子態(tài)；觀測到石墨烯中單原子缺陷引入的對稱性破缺態(tài)，并系統(tǒng)地測量了缺陷附近谷極化和谷依賴的自旋極化在實空間的分布情況。 石墨烯中電子的子格贗自旋來自于其六角晶格結(jié)構(gòu)，有A和B兩套子格，因此波函數(shù)數(shù)學(xué)形式上類似于自旋。對于電子自旋有很多有意思的可觀測物理現(xiàn)象，那么對應(yīng)石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測的物理現(xiàn)象呢？帶著這一問題，何林教授課題組開展了深入研究。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯中的單原子缺陷可以使準粒子在石墨烯手性不同的兩個谷之間發(fā)生彈性散射，并伴隨著子格贗自旋的旋轉(zhuǎn)，在缺陷附近產(chǎn)生一個原子尺度的子格贗自旋渦旋，而贗自旋在渦旋（單原子缺陷）的繞數(shù)直接反映了體系的Berry相位（圖1）。通常來說，貝利相位的測量需要借助于外加磁場，因為磁場可以驅(qū)動準粒子沿閉合的軌跡絕熱運動，所以這一的結(jié)果提供了一個簡單的方法測量不同層石墨烯Berry相位的方法。何林教授課題組利用STM測量單原子缺陷引起的谷間散射形成的電荷密度波振蕩，證明電荷密度波振蕩在實空間中增加的額外波前條紋數(shù)直接反映了子格贗自旋在渦旋的繞數(shù)，從而可直接測量不同層石墨烯的Berry相位。最近的工作中，他們對雙層石墨烯進行了詳細的研究，并將相關(guān)結(jié)果推廣到多層石墨烯體系。進一步他們還研究了相同和相反繞數(shù)的子格贗自旋渦旋的量子干涉。上述結(jié)果直接證明了子格贗自旋有很多豐富有趣的物理現(xiàn)象亟待深入研究，也為子格贗自旋物理提供了全新的研究思路。

石墨烯中電子除了自旋這個內(nèi)秉自由度，還有子格贗自旋和谷贗自旋自由度。石墨烯中電子的多自由度給石墨烯帶來了很多新奇的物理性質(zhì)。單原子缺陷是材料體系中最簡單的缺陷形式，可以作為一種模型體系來幫助了解缺陷對材料性質(zhì)的影響和調(diào)控。物理學(xué)系何林教授課題組長期致力于研究石墨烯中的單原子缺陷，發(fā)現(xiàn)缺陷可對石墨烯中自旋、子格贗自旋和谷贗自旋相關(guān)的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生深刻影響。例如，他們利用掃描隧道顯微鏡（STM）首次證實石墨烯中單原子空位缺陷存在局域自旋磁矩，并在原子尺度上實現(xiàn)了對其自旋磁矩調(diào)控，實現(xiàn)了三種自旋量子態(tài)；觀測到石墨烯中單原子缺陷引入的對稱性破缺態(tài)，并系統(tǒng)地測量了缺陷附近谷極化和谷依賴的自旋極化在實空間的分布情況。 石墨烯中電子的子格贗自旋來自于其六角晶格結(jié)構(gòu)，有A和B兩套子格，因此波函數(shù)數(shù)學(xué)形式上類似于自旋。對于電子自旋有很多有意思的可觀測物理現(xiàn)象，那么對應(yīng)石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測的物理現(xiàn)象呢？帶著這一問題，何林教授課題組開展了深入研究。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯中的單原子缺陷可以使準粒子在石墨烯手性不同的兩個谷之間發(fā)生彈性散射，并伴隨著子格贗自旋的旋轉(zhuǎn)，在缺陷附近產(chǎn)生一個原子尺度的子格贗自旋渦旋，而贗自旋在渦旋（單原子缺陷）的繞數(shù)直接反映了體系的Berry相位（圖1）。通常來說，貝利相位的測量需要借助于外加磁場，因為磁場可以驅(qū)動準粒子沿閉合的軌跡絕熱運動，所以這一的結(jié)果提供了一個簡單的方法測量不同層石墨烯Berry相位的方法。何林教授課題組利用STM測量單原子缺陷引起的谷間散射形成的電荷密度波振蕩，證明電荷密度波振蕩在實空間中增加的額外波前條紋數(shù)直接反映了子格贗自旋在渦旋的繞數(shù)，從而可直接測量不同層石墨烯的Berry相位。最近的工作中，他們對雙層石墨烯進行了詳細的研究，并將相關(guān)結(jié)果推廣到多層石墨烯體系。進一步他們還研究了相同和相反繞數(shù)的子格贗自旋渦旋的量子干涉。上述結(jié)果直接證明了子格贗自旋有很多豐富有趣的物理現(xiàn)象亟待深入研究，也為子格贗自旋物理提供了全新的研究思路。

項目簡介： 石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機械性能，在鋰電、超級電容器等方面有廣闊的應(yīng)用前景，但國內(nèi)市場化的石墨烯以多層為主，性能優(yōu)異的單層石墨烯價格昂貴。本項目開發(fā)了一種綠色、低成本、可大規(guī)模制備的高性能單層石墨烯技術(shù)，工業(yè)前景廣闊。社會經(jīng)濟效益：低成本、高性能、無污染、應(yīng)用廣、可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。創(chuàng)新點：綠色環(huán)保、成本低、性能優(yōu)異、適宜規(guī)模化生產(chǎn)。

本發(fā)明公開了一種石墨烯復(fù)合膜片上電感，屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明中，位于襯底上方的 片上電感采用石墨烯復(fù)合膜作為電感線圈材料，石墨烯復(fù)合膜由石墨烯層、絕緣介質(zhì)層、金屬導(dǎo)電層依 次疊加組成。其中，石墨烯層和金屬導(dǎo)電層共同組成片上電感的導(dǎo)電通道，有利于降低電感電阻值，提 高電感品質(zhì)因數(shù)；絕緣介質(zhì)層位于石墨烯層與金屬導(dǎo)電層之間，對石墨烯層和金屬導(dǎo)電層主體進行隔離 以降低金屬導(dǎo)電層對石墨烯中電子輸運的干擾，使石墨烯提供大動態(tài)電感，大幅增加片上電感電

“石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控及其應(yīng)用”首次實現(xiàn)石墨烯單晶量子點和單層石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準控制。 一、項目分類 重大科學(xué)前沿創(chuàng)新 二、成果簡介 近年來，石墨烯領(lǐng)域未獲得突破性應(yīng)用成果，也未找到“殺手锏”應(yīng)用領(lǐng)域，關(guān)鍵是石墨烯結(jié)構(gòu)調(diào)控不到位。一個基本的共識是，對石墨烯材料的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和調(diào)控，有助于在光電器件、能源轉(zhuǎn)化存儲、重大疾病診療、污染物治理等領(lǐng)域取得重大突破。上海大學(xué)吳明紅院士領(lǐng)銜的研究團隊聚焦“石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控及其應(yīng)用”取得了開創(chuàng)性的研究成果，首次實現(xiàn)石墨烯單晶量子點和單層石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準控制，在Nature及其子刊上發(fā)表十余篇系列論文，獲得國家自然科學(xué)二等獎。負責人吳明紅是中國工程院院士、俄羅斯工程院和俄羅斯科學(xué)院外籍院士，獲國家杰出青年基金、教育部長江學(xué)者及創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃等支持。團隊依托有機復(fù)合污染控制工程教育部重點實驗室，推動基礎(chǔ)科研成果向應(yīng)用轉(zhuǎn)化，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境治理等領(lǐng)域取得了相關(guān)應(yīng)用突破。 一、主要理論突破 聚焦于研究主題，團隊在以下三個方面取得重要突破： 1）為解決傳統(tǒng)方法制備的石墨烯缺陷多，無法量產(chǎn)的問題，團隊在分子水平上首次使用分子融合法實現(xiàn)了高品質(zhì)單晶石墨烯量子點的可控制備。通過對單晶石墨烯量子點精準的物理化學(xué)性質(zhì)調(diào)控實現(xiàn)了不同亞細胞器的定位，有力推動了石墨烯量子點在生物成像、重大疾病診療中的應(yīng)用。 2）為解決單層石墨烯容易聚集的難題，團隊通過“原位復(fù)合與還原”一步法調(diào)控策略，獲得單層石墨烯復(fù)合催化材料。團隊首次在該材料上觀測到光生電子空穴對分離的皮秒級超快過程，發(fā)現(xiàn)并揭示了單層石墨烯高效抽取和快速傳輸光電子這一重要規(guī)律，為高質(zhì)量單層石墨烯復(fù)合材料在催化等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。 3）精確調(diào)節(jié)石墨烯層間距，可以將石墨烯有針對性地應(yīng)用于離子篩分、污染物選擇性吸附等廣泛領(lǐng)域。團隊通過金屬水合離子的層間插入控制氧化石墨烯層間距，在國際上首次實現(xiàn)了層間距在超小尺度上（1 Å）的精確控制。 二、在黑臭水體治理、地表水水質(zhì)提升上的應(yīng)用 地表水內(nèi)源污染治理的關(guān)鍵是削減河道污染負荷，重建水生生態(tài)。團隊以層間距可控石墨烯為基質(zhì)，發(fā)展了水環(huán)境污染生態(tài)修復(fù)的疊層材料。以石墨烯為基體的復(fù)合微生物在其表面生長并形成生物膜，通過石墨烯和生物膜的協(xié)同作用，對水體污染物進行高效截留、吸附并降解。該復(fù)合技術(shù)運行成本低，治理周期短，工藝簡單，無需底泥疏浚即可將地表水提升至IV類水以上水質(zhì)指標，對河水的COD、氨氮和總磷，去除率達到80%以上。目前，團隊已與上海寶山區(qū)政府建立多個石墨烯治理黑臭水體示范基地，顯著提升當?shù)厮|(zhì)環(huán)境水平。 三、石墨烯負極材料的鈉離子電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用 鋰資源的匱乏，不足以支撐鋰離子電池在儲能市場的廣泛應(yīng)用，其成本較高的弊端也逐漸顯露。同時國內(nèi)外化學(xué)儲能市場需求越來越大，促使研究者們利用資源豐富的鈉元素組裝得到鈉離子電池。 經(jīng)過對鈉離子電池材料體系篩選和研究，本團隊核心材料選用普魯士藍及其類似物作為鈉離子電池正極，碳基材料作為鈉離子電池負極。其中普魯士藍制備主要采用沉淀法及水熱法，能耗更低。此外，普魯士藍能夠作為一種染料進行使用，其安全性非常高。經(jīng)過一系列放大，正極普魯士藍材料的充放電比容量達到160 mAh/g，碳負極材料的充放電比容量達到300 mAh/g。經(jīng)過中試線生產(chǎn)預(yù)制，單體電池工作電壓在3.2 V左右，能量密度在100 Wh/kg以上。單體電池在穿刺、擠壓、外部短路、及破壞后浸水測試的情況下，均沒有發(fā)生自燃和爆炸等情況，安全性高。 目前，擬搭建5條鈉離子電池儲能全自動生產(chǎn)線及相關(guān)配套設(shè)施，研發(fā)生產(chǎn)低成本、高安全、長壽命鈉離子電池關(guān)鍵材料，實現(xiàn)高性能鈉離子電池產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計至2026年項目達產(chǎn)后，年產(chǎn)值達約22.5億元；年畝均產(chǎn)值1666萬元。 四、石墨烯傳感材料在呼吸式血糖儀中的應(yīng)用 我國糖尿病人數(shù)眾多，并逐年上升。血糖檢測儀與檢測試紙市場規(guī)模約為460億元，然而國外品牌卻占市場份額大半。現(xiàn)有血糖儀采取長期有創(chuàng)刺血檢測，存在很大感染風(fēng)險，給病友帶來巨大的生理和心理上的痛苦。呼吸式血糖檢測無創(chuàng)，吹氣即可檢測，完美解決市場痛點。 糖尿病患者呼吸的氣體中，可檢測的VOCs較異常，需要高靈敏度的氣體傳感器進行識別。但是，常規(guī)氣敏傳感材料檢測限與響應(yīng)恢復(fù)能力不足，且難以在復(fù)雜氣體氛圍中實現(xiàn)特異性檢測。團隊通過對石墨烯帶隙和表界面特性的精確調(diào)控，實現(xiàn)皮秒級載流子空穴的形成，從而實現(xiàn)對氣體分子的快速響應(yīng)，解決氣體傳感器靈敏度、選擇性和響應(yīng)恢復(fù)迅速的關(guān)鍵科學(xué)問題。研發(fā)的呼吸式血糖儀可滿足確診病友的日常檢查、實現(xiàn)醫(yī)院、公共場所快速篩查、手機APP記錄管理以及網(wǎng)上專家互動診斷等功能，具有無創(chuàng)傷、無痛苦、便捷即時（15s）等特點，是首款呼吸式血糖檢測產(chǎn)品。目前已二類醫(yī)療器械證書，即將已進入臨床階段。

對于HEMT功率器件來說，p-GaN柵極HEMT器件結(jié)構(gòu)是目前被認為最有希望作為商業(yè)化應(yīng)用的方案。不過，仍然有一些問題亟待解決，如增加閾值電壓、降低柵極漏電流、提高柵極擊穿電壓等。于洪宇課題組2017級南科大-英屬哥倫比亞大學(xué)聯(lián)培博士生周廣楠介紹，閘極漏電與閘極工作電壓對應(yīng)用于電源開關(guān)的氮化鎵HEMT器件尤為重要，能夠影響電源系統(tǒng)功率損耗與輸出功率。解決此項問題對于p-GaN柵極HEMT器件的商業(yè)化應(yīng)用有重要的意義。

基于石墨烯的 MEMS 壓力傳感器，屬于微機電系統(tǒng)（MEMS）的壓力檢測器件，解決現(xiàn)有 MEMS 壓力傳感器尺寸較大，靈敏度有限的問題。本實用新型包括基底、絕緣層，所述基底表面氧化形成絕緣層，絕緣層內(nèi)刻蝕出空腔，絕緣層上表面覆蓋石墨烯薄膜，將所述空腔封閉，石墨烯薄膜為 1~5 層；所述石墨烯薄膜邊緣沉積兩個金屬電極，兩個金屬電極上分別焊接有導(dǎo)線。本實用新型采用石墨烯薄膜構(gòu)成 MEMS 壓阻式壓力傳感器，制備方法簡單，可靠性好，壓力傳感器體積更小，從微米尺度變?yōu)榧{米尺度，靈敏度更高，在 1~5 層內(nèi)增

本實用新型公開了一種石墨烯微型流量傳感器，屬于 MEMS 器件，用于氣流流量測量，解決現(xiàn)有流量傳感器功耗大、襯底存在熱傳導(dǎo)、響應(yīng)時間長的問題。本實用新型之石墨烯微型流量傳感器，襯底上具有凹槽，凹槽上架有隔熱層，隔熱層上濺射有加熱體，加熱體的兩端濺射有電極。本實用新型的另一種微型流量傳感器，襯底上具有凹槽，凹槽上架有隔熱層，隔熱層上覆蓋有絕緣層，絕緣層上濺射有加熱體，加熱體的兩端濺射有金屬電極。本實用新型體積小、重量輕而且性能穩(wěn)定，能有效降低襯底傳熱導(dǎo)致的測量誤差，通過測量通入氣體前后加熱體的電阻差值

本發(fā)明公開了一種石墨烯光陰極及其制備方法；該石墨烯光陰極由光陰極底座、襯底層、碘化銫薄膜、金膜組成；該石墨烯光陰極的制備方法具體包括如下步驟：S1：采用化學(xué)氣相沉積法在一定厚度的鎳片上生長石墨烯；S2：利用腐蝕液溶解制備石墨烯后的鎳片，留下石墨烯；S3：將石墨烯平鋪至光陰極底座；S4：利用真空蒸鍍法向第 3 步得到的光陰極底座蒸鍍一層碘化銫薄膜；S5：利用磁控濺射法向第 4 步得到的光陰極底座濺射一層金膜制得石墨烯光陰極。由于石墨烯具有優(yōu)越的導(dǎo)電性、超高的透光率、良好的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)以及較強的機械強度

本發(fā)明公開了一種石墨烯圖形化摻雜方法，包括如下步驟：（1） 將氦氣與摻雜氣體混合作為工作氣體導(dǎo)入等離子體發(fā)生裝置中，施加 高壓脈沖電壓，在工作氣體中放電產(chǎn)生室溫常壓等離子體，將形成的 等離子體由引導(dǎo)管的噴嘴導(dǎo)出，形成微等離子體射流；（2）將噴嘴對 準石墨烯薄膜的指定位置，用微等離子體射流對石墨烯薄膜進行輻照， 將工作氣體的活性原子摻入到被輻照的區(qū)域，在二維平面內(nèi)移動微等 離子體射流或石墨烯薄膜，實現(xiàn)對石墨烯的圖形化摻雜。該方法可有 效地將雜質(zhì)原子摻入到石墨烯的骨架位置上，且不會對石墨烯的原本 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，摻雜過程簡單易行，設(shè)備成本低廉，可實現(xiàn)大規(guī)模生 產(chǎn)。