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            【原創(chuàng)】世界領(lǐng)先的石墨烯研究中心——英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究院


            來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   黑金

            [導(dǎo)讀]  世界領(lǐng)先的石墨烯研究中心——英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究院。

            中國(guó)粉體網(wǎng)訊  2010年,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈•海姆和康斯坦丁•諾沃肖洛夫因石墨烯研究方面的成就獲得當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。作為石墨烯的誕生國(guó),英國(guó)看到了石墨烯這種超級(jí)材料的無(wú)限發(fā)展前景。瞄準(zhǔn)新一輪產(chǎn)業(yè)革命,2011年,英國(guó)政府決定在曼徹斯特大學(xué)建造國(guó)家石墨烯研究所(National Graphene Insttitute,NGI)。2015年3月,耗資6100萬(wàn)英鎊的NGI正式掛牌成立。


             

            國(guó)家石墨烯研究所(NGI)


            世界領(lǐng)先的石墨烯研究基地


            超高規(guī)格設(shè)施

            這座7,825平方米的五層建筑采用開(kāi)創(chuàng)性的技術(shù)設(shè)計(jì),將超高規(guī)格的設(shè)施融入其中,打造出世界領(lǐng)先的研究中心。


            石墨烯研究的專(zhuān)用空間

            NGI擁有1500平方米的100級(jí)和1000級(jí)潔凈室,這是世界上最大的石墨烯研究學(xué)術(shù)空間。


            高質(zhì)量的現(xiàn)代設(shè)備

            該研究所還擁有價(jià)值1100萬(wàn)英鎊的設(shè)備,使學(xué)者和行業(yè)合作伙伴能夠進(jìn)行開(kāi)創(chuàng)性的研究。


            合作是國(guó)家石墨烯研究所的關(guān)鍵


            NGI是當(dāng)前英國(guó)乃至世界石墨烯相關(guān)研究的策源地,研究中心亦是商業(yè)中心,NGI核心使命在于不斷開(kāi)拓二維(2D)材料科學(xué)與應(yīng)用前沿領(lǐng)域,兼顧石墨烯以及二維材料產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化。以NGI為中心,石墨烯工程創(chuàng)新研究中心(Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC)和Henry Royce研究院承接和發(fā)展NGI研究成果,不斷探索二維材料商業(yè)應(yīng)用新模式。


            合作是國(guó)家石墨烯研究所的關(guān)鍵。目前超過(guò)80家公司已經(jīng)與曼徹斯特大學(xué)合作,致力于石墨烯的應(yīng)用。


            NGI合作項(xiàng)目的例子:

            新概念、應(yīng)用和基礎(chǔ)研究的演示。

            通過(guò)生產(chǎn)新概念產(chǎn)品和工藝展示石墨烯的潛力。

            開(kāi)發(fā)低成本可擴(kuò)展的高質(zhì)量石墨烯制造方法。

            工藝穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)可重復(fù)質(zhì)量,高生產(chǎn)產(chǎn)量。

            石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量控制以及健康和安全。


            一流的研究者和管理團(tuán)隊(duì)


            NGI匯聚了一批世界頂級(jí)科學(xué)家,包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學(xué)家Vladimir Falko、材料學(xué)家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等。目前曼徹斯特大學(xué)有300多人從事石墨烯和相關(guān)2D材料的研究,30多個(gè)學(xué)術(shù)團(tuán)體在廣泛的學(xué)科領(lǐng)域工作——從物理和材料科學(xué)到化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)。


            部分特色學(xué)者


            研究方向及成果


            NGI研究方向涵蓋凝聚態(tài)物理、介觀物理與納米技術(shù)、納米功能材料、光子學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、通信應(yīng)用等多學(xué)科領(lǐng)域。作為2D材料領(lǐng)域的先驅(qū),NGI發(fā)揮著思想引擎的作用,引領(lǐng)2D材料研究的新方向。


            NGI主要聚焦的九大研究熱點(diǎn)


             

            2019年,NGI累積發(fā)表論文近60篇,其中NS正刊5篇、大子刊3篇,Nature Communication、ACS系列等頂刊累計(jì)約19篇。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),NGI近半數(shù)新發(fā)頂刊研究?jī)?nèi)容與2D材料異質(zhì)結(jié)關(guān)聯(lián),主要報(bào)道異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現(xiàn)象,重點(diǎn)聚焦基礎(chǔ)物理領(lǐng)域。


            近期部分成果


            完美的原子級(jí)篩子


             

            石墨烯可以將質(zhì)子從所有其他離子中分離出來(lái)


            石墨烯對(duì)質(zhì)子有很好的選擇性,甚至能阻擋像氯這樣最小的離子,曼徹斯特大學(xué)研究顯示。這一結(jié)果對(duì)于石墨烯基薄膜的開(kāi)發(fā)具有重要意義,應(yīng)用范圍從燃料電池到海水淡化。


            3D打印2D材料墨水顯示出改善能量存儲(chǔ)設(shè)備的前景


             


            第一次,一組來(lái)自材料部還有國(guó)家石墨烯研究所在曼徹斯特大學(xué)使用2D材料MXene配制油墨,生產(chǎn)3D印刷叉指電極。發(fā)表于新材料,這些墨水已經(jīng)用于3D打印電極能量?jī)?chǔ)存超級(jí)電容器等設(shè)備。


            新的量子現(xiàn)象有助于理解石墨烯電子的基本極限

             


            一組來(lái)自美國(guó)大學(xué)的研究人員曼徹斯特,諾丁漢和拉夫堡發(fā)現(xiàn)了有助于理解基本極限的量子現(xiàn)象石墨烯電子。發(fā)表于自然傳播,這項(xiàng)工作描述了單個(gè)原子薄層石墨烯中的電子是如何散射出構(gòu)成六方晶格的振動(dòng)碳原子的。


            Science:測(cè)量石墨烯電子流體的霍爾粘度


            原文鏈接:Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. (DOI:10.1126/science.aau0685)


            文章報(bào)道了高粘性電子體系所觀測(cè)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)霍爾效應(yīng)行為的定性偏差。進(jìn)一步的研究表明,石墨烯中的粘性電子流體產(chǎn)生一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)霍爾效應(yīng)所生成電場(chǎng)相反的電場(chǎng)來(lái)響應(yīng)非量化磁場(chǎng)。粘性的貢獻(xiàn)是顯著的且已被確認(rèn)。研究人員通過(guò)大溫區(qū)內(nèi)反常行為的分析,提取出了學(xué)界尋找已久的霍爾粘度。



            圖1 磁場(chǎng)對(duì)粘性電子流體的影響。

            (A,B)靠近電流注入點(diǎn)理論石墨烯電子流體電勢(shì)分布;(C)普通霍爾效應(yīng)對(duì)圖B的貢獻(xiàn);(d)霍爾粘性對(duì)圖B的貢獻(xiàn);(e)其中一個(gè)測(cè)試樣品的光學(xué)圖片和VR測(cè)試示意圖;(f)不同磁場(chǎng)下VR測(cè)試結(jié)果。


            Nature:在范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中莫爾超晶格中的共振雜化激子


            原文鏈接:Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. (DOI:10.1038/s41586-019-0986-9)


            該文章通過(guò)組裝單層MoSe2和WS2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu),證明了激子能帶可以雜化,并導(dǎo)致莫爾超晶格效應(yīng)共振增強(qiáng)。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導(dǎo)帶邊緣都是接近簡(jiǎn)并的,非常相似。當(dāng)激子能量以層間轉(zhuǎn)角周期性移動(dòng),雜化現(xiàn)象出現(xiàn)。該發(fā)現(xiàn)為異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件的能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的策略。


            圖2 MoSe2和WS2異質(zhì)結(jié)樣品;MoSe2和WS2能帶結(jié)構(gòu)與布里淵區(qū)對(duì)準(zhǔn);吸收譜與轉(zhuǎn)角的關(guān)系。


            Nature nanotechnology:二維狄拉克材料中的強(qiáng)烈紅外與太赫茲磁光效應(yīng)


            原文鏈接:Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.(10.1038/s41565-019-0489-8)


            該文章中,研究人員自制磁-紅外顯微光譜測(cè)量系統(tǒng),使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品,測(cè)量磁傳輸與法拉第旋轉(zhuǎn)。研究發(fā)現(xiàn)在紅外和太赫茲段出現(xiàn)強(qiáng)烈的磁光活動(dòng),包括吸收接近50%這個(gè)極限、100%磁圓形二項(xiàng)色性和高法拉第旋轉(zhuǎn)。該發(fā)現(xiàn)證明2D狄拉克材料通過(guò)磁調(diào)諧在長(zhǎng)波長(zhǎng)光電器件和等離激元器件中的應(yīng)用潛力。



            圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內(nèi)朗道能級(jí)躍遷。

            (a) 理論朗道能級(jí)與磁場(chǎng)的關(guān)系;(b) 磁光試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖;(c) 試驗(yàn)樣品光學(xué)照片;(d) 磁透射譜;(e) 磁透射與磁場(chǎng)和光子能量的關(guān)系;(f) 4.17T吸收譜


            信息來(lái)源:曼徹斯特大學(xué)官網(wǎng)、科技日?qǐng)?bào)、材料牛

            (中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/三昧)

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            作者:黑金

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