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石墨烯是一種典型的單原子層二維材料，具有獨特的狄拉克電子結構、超高的載流子遷移率和濃度，在高速、高質量薄膜器件集成等方面顯示出潛在應用優勢。然而，本征石墨烯呈金屬或半金屬特性，限制了其在器件中的應用。本成果從石墨烯的可控生長及多維多尺度宏觀結構組裝出發，探索調控石墨烯電子結構的有效方法，推動其在納米能源和傳感器件中的集成與應用。 主要內容包括： 1.高質量石墨烯薄膜的大面積可控制備、轉移工藝，及多維多尺度宏觀結構組裝技術； 2.開發了高效異質結太陽能電池和光電探測器產品，具有規模集成的納米能源器件制造方法和工藝。太陽能電池轉換效率超過 15%；光電探測器的靈敏度比同類商用光電器件高 3 個數量級，在保持同樣光電流響應的情況下，其暗電流和噪聲等效功率分別了降低了 2個和 3 個數量級； 3.開發了系列柔性傳感器產品，及面向移動醫療可穿戴應用的傳感器制造方法和工藝。不僅可探測應變、壓力、扭轉、有機物、聲波等信號，還對多種微變形（包括損傷、振動等）高靈敏度識別，具有與生理信息互聯的特點，可監測和掃描生命體的生理狀態，如脈搏、呼吸、心跳、語音等人體活動。 

本研究利用氧氣對非骨架摻雜選擇性刻蝕的效應，首次在Cu襯底上實現了石墨烯的完美骨架摻雜生長，氮摻雜后的石墨烯遷移率高達13000 cm2/Vs，比其他工藝制備的摻雜石墨烯要高出數個量級。同時，石墨烯的面電阻也降低到130 oh/sq，摻雜的穩定性顯著提高。

包括高純度不同石墨片層大小石墨烯的可控制備及分離技術，石墨烯的立體 組裝技術，如大尺寸石墨烯薄膜、石墨烯氣凝膠、褶皺團狀石墨烯等。

首次提出石墨烯纖維的概念，提出液晶濕法紡絲策略實現了石墨烯纖維的連續制備及高性能化，開辟了從石墨制取碳纖維的全新路徑 一、項目分類 重大科學前沿創新 二、技術分析 本成果具有創新性、先進性。從高校的原創科學到原創技術，再到工程化推進，且已實現量產的技術成果。 成果第一完成人帶領科研與產業兩支隊伍，面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，在單層氧化石墨烯及其宏觀組裝材料的產學研協同發展方面開展科學研究、技術轉化與產業化攻堅，獲得的成果如下： 發現了氧化石墨烯纖維在溶劑作用下精確可逆融合與分裂現象，揭示了二維大分子的獨特界面效應，打破纖維越粗越弱的Griffith定律，為未來粗且強的高性能纖維制備提供了新的理論依據，成果發表在Science雜志上；(2)發現氧化石墨烯的層狀和手性液晶新相態，為石墨烯宏觀有序組裝材料提供了理論基石；(3)首次提出石墨烯纖維的概念，提出液晶濕法紡絲策略實現了石墨烯纖維的連續制備及高性能化，開辟了從石墨制取碳纖維的全新路徑；(4)建立了較系統的液固相轉變組裝方法學，制備出“世界最輕固體”石墨烯超輕氣凝膠，突破固體表觀密度極限；解決了宏觀材料高導熱和高柔性不能兼顧的難題，獲得了高導熱超柔性石墨烯導熱膜。 發明的新型石墨烯纖維，得到了Nature在線新聞（2011, 78）、Nature 石墨烯增刊（2012, 483, S33）等雜志期刊的高度評價：“石墨烯物理性能優異，但要駕馭這些性能，必須找到能將優異性能納米級粒子轉化為宏觀材料的方法。來自中國杭州浙江大學的許震和高超正好實現了這一目標”等。石墨烯纖維打結圖與美國奮進號、俄羅斯聯盟號飛船等一起入選了Nature 2011年度最具影響力圖像，入選理由為:“這一400微米石墨烯結由中國浙江大學許震和高超制備，顯示了納米尺度精巧的結構控制。許和高將氧化石墨烯液晶紡制成米級柔性纖維并轉化成石墨烯紗線”。成果第一完成人“因石墨烯纖維的基礎研究工作”，獲得首屆錢寶鈞纖維材料青年學者獎。 獲得的多維度多功能石墨烯宏觀組裝材料，得到了Nature（Nature 2013, 494, 404）、（Nature 2013, 497, 448）及Advanced Science News等的亮點評價或撰文評價：“浙江大學高超團隊用非模板法獲得了導電、彈性并且密度低于空氣的固體泡沫材料”，“浙江大學高超教授及同事報道了具有超高導熱且超柔性特性的石墨烯材料。這樣的設計理念和實驗策略能夠拓展至其他二維納米材料中，使得很多大面積多功能的二維材料能夠應用到現實世界的柔性器件中，從航空航天到智能手機，不一而足”等。超輕石墨烯氣凝膠獲得了 “世界最輕固體”吉尼斯世界紀錄，入選了“2013中國十大科技進展新聞”。 在Science、Nat. Electron.、Sci. Adv.、Adv. Mater.等國際知名期刊發表學術論文240余篇，連續四年入選科睿唯安全球“高被引科學家”。授權中國發明專利百余件、國際專利8件。承擔國家自然基金委重大、重點、杰青項目及軍科委、科工局等項目10多項，項目總經費近億元。

本發明提供了一種石墨烯快速剝離的方法；該方法包括 S1 利用化學氣相沉積法在鎳片上生長石墨烯；其中生長溫度為 750℃～1000℃，生長時間為 10～30 分鐘，生長時通入氣體為甲烷 10～80sccm和氫氣 5～10sccm 并保持生長氣壓為常壓；S2 將所述附著有石墨烯的鎳片浸泡在氯化鐵溶液中，經過電化學腐蝕后獲得剝離后的石墨烯。本發明可以在幾十秒到幾十分鐘內把石墨烯無破損地從基底鎳片上剝離下來。這為石墨烯的基礎研究和應用提供一種快速的新途徑。本發明操作簡單，可以快速的把石墨烯轉移到任何基片上；

本發明公開了一種具有良好分散性的改性石墨烯，以及制備這 種改性石墨烯的方法。通過非共價鍵的作用，在石墨烯表面修飾高分 子材料，使其具有良好的分散性。這種改性石墨烯的具體制備方法為： 在芳香族小分子上接枝咪唑類化合物，通過咪唑引發環氧開環聚合或 與末端帶有鹵素基團的長鏈高分子直接反應，得到末端為芳香基團的 長鏈芳香族化合物，并在分散有氧化石墨烯且具有還原性的溶劑中， 通過一步法在還原氧化石墨烯的同時將其以非共價鍵的形式

石墨烯中電子除了自旋這個內秉自由度，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。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的影響和調控。物理學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，發現缺陷可對石墨烯中自旋、子格贗自旋和谷贗自旋相關的電學性質產生深刻影響。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了對其自旋磁矩調控，實現了三種自旋量子態；觀測到石墨烯中單原子缺陷引入的對稱性破缺態，并系統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構，有A和B兩套子格，因此波函數數學形式上類似于自旋。對于電子自旋有很多有意思的可觀測物理現象，那么對應石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測的物理現象呢？帶著這一問題，何林教授課題組開展了深入研究。他們發現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生彈性散射，并伴隨著子格贗自旋的旋轉，在缺陷附近產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，因為磁場可以驅動準粒子沿閉合的軌跡絕熱運動，所以這一的結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直接反映了子格贗自旋在渦旋的繞數，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，并將相關結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的子格贗自旋渦旋的量子干涉。上述結果直接證明了子格贗自旋有很多豐富有趣的物理現象亟待深入研究，也為子格贗自旋物理提供了全新的研究思路。

石墨烯具有優異的機械,導電以及導熱性能,在納米科學和材科領域具有極大的應用價值,尤其是在電容器,傳感器,柔性薄膜電路以及復合材料等方面已經吸引全球科學界和工業界廣泛的關注。本技術以氧化石墨烯(GO)為前驅體,同步還原與修飾GO,制備了多種環氧/石墨烯功能納米復合材料該石墨烯氣凝膠具有低密度,開孔結構,高導電性以及良好的機械性能與成型性等優點。通過真空輔助浸漬成型法,制備了高導電的環氧／三維石墨烯納米復合材料,當石墨烯含量為體積分數適當時,復合材料的電導率達到4×10-2S/m,比純環氧基體提高了13個數量級。良好導電性能的原因是石墨烯氣凝膠在制備復合材料過程中保持了導電網絡結構完整性,而且與聚合物基體浸潤性良好。

石墨烯中電子除了自旋這個內秉自由度，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。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的影響和調控。物理學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，發現缺陷可對石墨烯中自旋、子格贗自旋和谷贗自旋相關的電學性質產生深刻影響。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了對其自旋磁矩調控，實現了三種自旋量子態；觀測到石墨烯中單原子缺陷引入的對稱性破缺態，并系統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構，有A和B兩套子格，因此波函數數學形式上類似于自旋。對于電子自旋有很多有意思的可觀測物理現象，那么對應石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測的物理現象呢？帶著這一問題，何林教授課題組開展了深入研究。他們發現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生彈性散射，并伴隨著子格贗自旋的旋轉，在缺陷附近產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，因為磁場可以驅動準粒子沿閉合的軌跡絕熱運動，所以這一的結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直接反映了子格贗自旋在渦旋的繞數，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，并將相關結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的子格贗自旋渦旋的量子干涉。上述結果直接證明了子格贗自旋有很多豐富有趣的物理現象亟待深入研究，也為子格贗自旋物理提供了全新的研究思路。

項目簡介： 石墨烯具有優異的導電性和機械性能，在鋰電、超級電容器等方面有廣闊的應用前景，但國內市場化的石墨烯以多層為主，性能優異的單層石墨烯價格昂貴。本項目開發了一種綠色、低成本、可大規模制備的高性能單層石墨烯技術，工業前景廣闊。社會經濟效益：低成本、高性能、無污染、應用廣、可實現大規模生產。創新點：綠色環保、成本低、性能優異、適宜規模化生產。