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項目簡介：  石墨烯屬于碳納米材料家族中的一員，具  有高硬度、高

制備在宏觀尺度上具備二維單片石墨烯的獨特本征性質的石墨烯三維體相材料是材料學研究中兼具學術價值和實用意義的重大挑戰。本項目制備得到了一種三維石墨烯宏觀體相材料，其由大量獨立且懸空的二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成。該材料具有良好的機械性能，在常溫可見光下作用下具有電子發射能力，在瓦特功率級別的可見波段激光或聚焦的太陽光照射下，厘米尺寸的此石墨烯材料樣品可以在真空條件下實現有效的直接光驅動，此現象為國內外所首次觀察及報道，為石墨烯帶來了一種激動人心的潛在應用價值。上述材料的制備及相關性能研究還可為石墨烯在催化，能源轉換與存儲等領域的應用提供材料支持與相關理論支撐。 項目特色： 1.制備了基于二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成三維石墨烯體相材料，該材料不僅保留了二維石墨烯材料的本征性質， 而且具備優良的機械及光電性能。 2. 在國內外首次觀察到厘米級尺寸的裸眼可見的宏觀石墨烯樣品，只依靠瓦特級別的光作為單一驅動源，即可實現較大距離(數十厘米)的有效的運動，并提出了光致電子發射驅動的機理解釋上述三維石墨烯體相材料獨特的光驅動， 3. 上述材料的制備與性能研究揭示通過有效合理的結構構筑手段，能夠得到以二維石墨烯作為構成單元，并有效保留其獨特二維性質和兼具三維宏觀形態的石墨烯體相材料，此項研究為其它二維材料的開展類似工作并拓展其應用提供了范例和思路。 已取得的成果： 項目的標志性研究結果于 2015 年 6 月在線發表于 NaturePhotonics，并于 2015 年 7 月正式發表（Nature Photonics, 2015, 9, 471-476）。雜志同期以“Two-dimensional materials: Lift off for graphene”發表了專題評論。英國著名科普雜志 New Scientist 以“Spacecraft builtfrom graphene could run on nothing but sunlight”為題報道了此研究，指出該成果“再為石墨烯這種優良材料增添了一種驚人的性能”。國內主要媒體包括人民日報、光明日報、新華網以及多家門戶網站等均對此研究進行了報道，中央電視臺《新聞聯播》欄目于 2015 年 6 月21 日也對此進行了報道。 市場應用前景： 空間飛行器是人類探索宇宙的重要工具，而動力源問題一直羈絆著人類無法走得更遠。目前幾乎所有的航空、航天飛行均采用化學驅動，即通過噴射燃燒的化學物質來獲得驅動力，光直接驅動飛行是科學界和航空界多年的夢想。

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”。

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

本項目設計開發了一種石墨烯玻璃制備方法，通過利用離子注入技術，將過渡金屬粒子注入到玻璃表面，然后在石墨烯生長過程中注入的金屬粒子有效提升玻璃表面對于碳源的裂解能力，并且促進石墨烯晶疇的成核和生長。這種方法成功在二氧化硅、藍寶石、石英玻璃等絕緣襯底上制備出高質量單層石墨烯。

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

石墨烯由于其獨特的二維納米結構，且具有高強度、高熱穩定性、高化學穩定性以及優良的導熱性等特性，在防腐涂料領域具有廣闊的應用前景。石墨烯、氮化硼等二維材料由于其特殊的結構使其具有不透過性，作為金屬基底與腐蝕環境的阻隔層而保護基底不被自然環境所腐蝕。通過化學氣相沉積法及塊體剝離法可分別制備直接生長于金屬表面的大面積石墨烯、氮化硼薄膜，或粉狀的石墨烯、氮化硼納米片。通過化學氣相沉淀法，二維材料可以在任意形狀的金屬基底的所有暴露面上生長，實現對金屬表面的全面保護。

近日，清華大學材料學院朱宏偉教授團隊在《先進材料》（Advanced Materials）上在線發表了題為“石墨烯體系中的陽離子-π相互作用”（Cation-π Interactions in Graphene Containing Systems for Water Treatment and Beyond）的長篇綜述論文，系統總結了石墨烯體系中的陽離子-π相互作用在水處理（膜分離、吸附）、新材料合成、納米發電、能量存儲及溶液/復合材料分散等應用中所發揮的關鍵作用，分析了陽離子-π相互作用的影響機理，綜述了現階段相關理論工作進展，討論了石墨烯體系中的陽離子-π相互作用研究中存在的問題，展望了未來潛在的研究方向。 陽離子-π相互作用是一種非共價相互作用，在自然界，尤其是生命體中普遍存在，在諸多生命反應進程中必不可少。近年來，陽離子-π相互作用在生物學、化學、物理學中的重要性被廣泛關注。石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，可被視為一種獨特的芳香族大分子。陽離子和石墨烯中離域π電子之間的相互作用會引起陽離子在石墨烯表面的富集、溶液中離子及石墨烯結構中電子的重新分布，進而影響石墨烯材料的本征性質及基于石墨烯的器件的性能。深入理解石墨烯體系中的陽離子-π相互作用，對于石墨烯特性的調控、器件的優化設計具有重要意義。 石墨烯體系中的陽離子-π相互作用及其應用 近年來，朱宏偉教授團隊在石墨烯等新型二維材料的可控制備、結構設計及其在能源（太陽能電池、光電探測、光電催化）、環境（水處理、空氣凈化、土壤治理）、柔性傳感器件等領域開展了大量研究工作，取得了一系列重要進展。該綜述論文以石墨烯體系中的陽離子-π相互作用為切入點，對相關研究報道進行了梳理和討論，并對其發展趨勢和前景進行了展望。 本文通訊作者為朱宏偉教授，第一作者為清華大學材料學院2016級博士生趙國珂。本研究得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目和面上項目資助。 論文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905756