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有序納米多孔功能材料，例如微孔的沸石和介孔的二氧化硅分子篩、金屬-有機(jī)框架材料（MOFs）和共價(jià)有機(jī)框架材料（COFs），由于其發(fā)達(dá)的孔道結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、較小的材料密度等優(yōu)異的物理化學(xué)特性，在吸附、分離、傳感器、離子交換、負(fù)載催化、藥物輸送、電磁防護(hù)、環(huán)境治理、電化學(xué)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化等諸多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。

氧化石墨烯具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、豐富的表面官能團(tuán)及 P 型半導(dǎo)體性質(zhì)。通 過(guò)氧化石墨烯與 ZnO 納米片及 SnO2 納米纖維進(jìn)行復(fù)合，大幅度提升了其對(duì)丙酮、 甲醛等特異性氣體檢測(cè)。其敏感性能的提升歸因于氧化石墨烯和半導(dǎo)體材料二者 的協(xié)同效應(yīng)。相關(guān)研究解決了現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體氣體傳感器檢測(cè)限和選擇性較 低的問(wèn)題。

石墨烯中電子除了自旋這個(gè)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(lái)了很多新奇的物理性質(zhì)。單原子缺陷是材料體系中最簡(jiǎn)單的缺陷形式，可以作為一種模型體系來(lái)幫助了解缺陷對(duì)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(zhǎng)期致力于研究石墨烯中的單原子缺陷，發(fā)現(xiàn)缺陷可對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)其自旋磁矩調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了三種自旋量子態(tài)；觀測(cè)到石墨烯中單原子缺陷引入的對(duì)稱性破缺態(tài)，并系統(tǒng)地測(cè)量了缺陷附近谷極化和谷依賴的自旋極化在實(shí)空間的分布情況。 石墨烯中電子的子格贗自旋來(lái)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(duì)于電子自旋有很多有意思的可觀測(cè)物理現(xiàn)象，那么對(duì)應(yīng)石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測(cè)的物理現(xiàn)象呢？帶著這一問(wèn)題，何林教授課題組開(kāi)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(zhǔn)粒子在石墨烯手性不同的兩個(gè)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(gè)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(lái)說(shuō)，貝利相位的測(cè)量需要借助于外加磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)可以驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)粒子沿閉合的軌跡絕熱運(yùn)動(dòng)，所以這一的結(jié)果提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法測(cè)量不同層石墨烯Berry相位的方法。何林教授課題組利用STM測(cè)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(shí)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(cè)量不同層石墨烯的Berry相位。最近的工作中，他們對(duì)雙層石墨烯進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并將相關(guān)結(jié)果推廣到多層石墨烯體系。進(jìn)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(gè)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(lái)了很多新奇的物理性質(zhì)。單原子缺陷是材料體系中最簡(jiǎn)單的缺陷形式，可以作為一種模型體系來(lái)幫助了解缺陷對(duì)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(zhǎng)期致力于研究石墨烯中的單原子缺陷，發(fā)現(xiàn)缺陷可對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)其自旋磁矩調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了三種自旋量子態(tài)；觀測(cè)到石墨烯中單原子缺陷引入的對(duì)稱性破缺態(tài)，并系統(tǒng)地測(cè)量了缺陷附近谷極化和谷依賴的自旋極化在實(shí)空間的分布情況。 石墨烯中電子的子格贗自旋來(lái)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(duì)于電子自旋有很多有意思的可觀測(cè)物理現(xiàn)象，那么對(duì)應(yīng)石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測(cè)的物理現(xiàn)象呢？帶著這一問(wèn)題，何林教授課題組開(kāi)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(zhǔn)粒子在石墨烯手性不同的兩個(gè)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(gè)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(lái)說(shuō)，貝利相位的測(cè)量需要借助于外加磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)可以驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)粒子沿閉合的軌跡絕熱運(yùn)動(dòng)，所以這一的結(jié)果提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法測(cè)量不同層石墨烯Berry相位的方法。何林教授課題組利用STM測(cè)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(shí)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(cè)量不同層石墨烯的Berry相位。最近的工作中，他們對(duì)雙層石墨烯進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并將相關(guān)結(jié)果推廣到多層石墨烯體系。進(jìn)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(xiàng)目簡(jiǎn)介： 石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，在鋰電、超級(jí)電容器等方面有廣闊的應(yīng)用前景，但國(guó)內(nèi)市場(chǎng)化的石墨烯以多層為主，性能優(yōu)異的單層石墨烯價(jià)格昂貴。本項(xiàng)目開(kāi)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益：低成本、高性能、無(wú)污染、應(yīng)用廣、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。創(chuàng)新點(diǎn)：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(kāi)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(duì)石墨烯層和金屬導(dǎo)電層主體進(jìn)行隔離 以降低金屬導(dǎo)電層對(duì)石墨烯中電子輸運(yùn)的干擾，使石墨烯提供大動(dòng)態(tài)電感，大幅增加片上電感電

“石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控及其應(yīng)用”首次實(shí)現(xiàn)石墨烯單晶量子點(diǎn)和單層石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制。 一、項(xiàng)目分類 重大科學(xué)前沿創(chuàng)新 二、成果簡(jiǎn)介 近年來(lái)，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(gè)基本的共識(shí)是，對(duì)石墨烯材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控，有助于在光電器件、能源轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)、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(tuán)隊(duì)聚焦“石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控及其應(yīng)用”取得了開(kāi)創(chuàng)性的研究成果，首次實(shí)現(xiàn)石墨烯單晶量子點(diǎn)和單層石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制，在Nature及其子刊上發(fā)表十余篇系列論文，獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。負(fù)責(zé)人吳明紅是中國(guó)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(guó)家杰出青年基金、教育部長(zhǎng)江學(xué)者及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃等支持。團(tuán)隊(duì)依托有機(jī)復(fù)合污染控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，推動(dòng)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(tuán)隊(duì)在以下三個(gè)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(wú)法量產(chǎn)的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)在分子水平上首次使用分子融合法實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)單晶石墨烯量子點(diǎn)的可控制備。通過(guò)對(duì)單晶石墨烯量子點(diǎn)精準(zhǔn)的物理化學(xué)性質(zhì)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了不同亞細(xì)胞器的定位，有力推動(dòng)了石墨烯量子點(diǎn)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(tuán)隊(duì)通過(guò)“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(tuán)隊(duì)首次在該材料上觀測(cè)到光生電子空穴對(duì)分離的皮秒級(jí)超快過(guò)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(jiān)實(shí)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(duì)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(tuán)隊(duì)通過(guò)金屬水合離子的層間插入控制氧化石墨烯層間距，在國(guó)際上首次實(shí)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(fù)荷，重建水生生態(tài)。團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)并形成生物膜，通過(guò)石墨烯和生物膜的協(xié)同作用，對(duì)水體污染物進(jìn)行高效截留、吸附并降解。該復(fù)合技術(shù)運(yùn)行成本低，治理周期短，工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需底泥疏浚即可將地表水提升至IV類水以上水質(zhì)指標(biāo)，對(duì)河水的COD、氨氮和總磷，去除率達(dá)到80%以上。目前，團(tuán)隊(duì)已與上海寶山區(qū)政府建立多個(gè)石墨烯治理黑臭水體示范基地，顯著提升當(dāng)?shù)厮|(zhì)環(huán)境水平。 三、石墨烯負(fù)極材料的鈉離子電池儲(chǔ)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(chǔ)能市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用，其成本較高的弊端也逐漸顯露。同時(shí)國(guó)內(nèi)外化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)需求越來(lái)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(guò)對(duì)鈉離子電池材料體系篩選和研究，本團(tuán)隊(duì)核心材料選用普魯士藍(lán)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(fù)極。其中普魯士藍(lán)制備主要采用沉淀法及水熱法，能耗更低。此外，普魯士藍(lán)能夠作為一種染料進(jìn)行使用，其安全性非常高。經(jīng)過(guò)一系列放大，正極普魯士藍(lán)材料的充放電比容量達(dá)到160 mAh/g，碳負(fù)極材料的充放電比容量達(dá)到300 mAh/g。經(jīng)過(guò)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(cè)試的情況下，均沒(méi)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(chǔ)能全自動(dòng)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(zhǎng)壽命鈉離子電池關(guān)鍵材料，實(shí)現(xiàn)高性能鈉離子電池產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計(jì)至2026年項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后，年產(chǎn)值達(dá)約22.5億元；年畝均產(chǎn)值1666萬(wàn)元。 四、石墨烯傳感材料在呼吸式血糖儀中的應(yīng)用 我國(guó)糖尿病人數(shù)眾多，并逐年上升。血糖檢測(cè)儀與檢測(cè)試紙市場(chǎng)規(guī)模約為460億元，然而國(guó)外品牌卻占市場(chǎng)份額大半。現(xiàn)有血糖儀采取長(zhǎng)期有創(chuàng)刺血檢測(cè)，存在很大感染風(fēng)險(xiǎn)，給病友帶來(lái)巨大的生理和心理上的痛苦。呼吸式血糖檢測(cè)無(wú)創(chuàng)，吹氣即可檢測(cè)，完美解決市場(chǎng)痛點(diǎn)。 糖尿病患者呼吸的氣體中，可檢測(cè)的VOCs較異常，需要高靈敏度的氣體傳感器進(jìn)行識(shí)別。但是，常規(guī)氣敏傳感材料檢測(cè)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(shí)現(xiàn)特異性檢測(cè)。團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)石墨烯帶隙和表界面特性的精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)載流子空穴的形成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wèn)題。研發(fā)的呼吸式血糖儀可滿足確診病友的日常檢查、實(shí)現(xiàn)醫(yī)院、公共場(chǎng)所快速篩查、手機(jī)APP記錄管理以及網(wǎng)上專家互動(dòng)診斷等功能，具有無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)痛苦、便捷即時(shí)（15s）等特點(diǎn)，是首款呼吸式血糖檢測(cè)產(chǎn)品。目前已二類醫(yī)療器械證書，即將已進(jìn)入臨床階段。

對(duì)于HEMT功率器件來(lái)說(shuō)，p-GaN柵極HEMT器件結(jié)構(gòu)是目前被認(rèn)為最有希望作為商業(yè)化應(yīng)用的方案。不過(guò)，仍然有一些問(wèn)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(jí)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(duì)應(yīng)用于電源開(kāi)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(xiàng)問(wèn)題對(duì)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(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的壓力檢測(cè)器件，解決現(xiàn)有 MEMS 壓力傳感器尺寸較大，靈敏度有限的問(wèn)題。本實(shí)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(gè)金屬電極，兩個(gè)金屬電極上分別焊接有導(dǎo)線。本實(shí)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(jiǎn)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(shí)用新型公開(kāi)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(cè)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(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。本實(shí)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(shí)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(shí)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(cè)量誤差，通過(guò)測(cè)量通入氣體前后加熱體的電阻差值