入驻新材料在线®的媒体号材料科技在线团队9月7号给大家汇总了17年上半年国外石墨烯的新型应用总结。其姊妹篇,17年上半年国外石墨烯重大技术突破,在本文中给大家做一个汇总。看看各路专家是如果探索的以及对我们的启发!
北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种技术:将带正电荷(p型)还原型氧化石墨烯(rGO)转化为带负电荷(n型)rGO的技术,并研制了一种分层材料,可用于开发rGO基晶体管,还可以应用于电子设备。
具体来说,他们展示了两项研究成果。第一,将rGO集成到蓝宝石和整个硅晶片上。第二,研究人员使用大功率激光脉冲定期地破坏晶片上的化学基团。这种破坏作用将电子从这一基团移动到另一基团,能够有效地将p型rGO转化为n型rGO。
石墨烯被认为是继硅之后又一具有巨大发展潜力的材料,能使光电设备更快、更有效的运行。但是制造纯石墨烯是相当困难的。传统制造方法往往产生皱纹,它会破坏电子的高速运行,极大地限制了石墨烯的电子性能。
现在,麻省理工学院的工程师们已经找到了一种方法,可以让石墨烯减少皱纹,并消除出现的皱纹。金和他的团队从一个原子级光滑的碳化硅晶片表面制造出单晶石墨烯,石墨烯产生的皱纹只有几个纳米,然后他们用一层很薄的镍剥离碳化硅晶片顶端的石墨烯,在这一过程被称为layer-resolved石墨烯转移。
阿肯色大学的研究人员已经研发出一种简单且可量化的工艺,它能够将石墨烯氧化物转变为不可燃的、纸状石墨烯膜,并且可用于大规模生产。
石墨烯的极高易燃性已经成为限制其进一步发展和商业化的一大阻碍。然而,从燃料电池到太阳能电池再到超级电容器和传感器,这一新发现使得量产石墨烯和量产可用于提升大量产品性能的石墨烯膜成为了可能。
与常见的具有单原子层厚的碳的“二维”同素异形体片相比,石墨烯纳米带具有与之不同的诸多性质。李安平(An-Ping Li)和他的同事们在没有金属基底的情况下制备出了石墨烯纳米带,这在早期的工作中是不利于材料的导电性能的。该团队采用的方法是注入电荷载体,促进聚合物前体转化为石墨烯。
材料在电子应用中很难实现其全部潜力,促使窄条石墨烯生长的一种新方法有望克服这一缺点,新方法合成的窄条石墨烯是一种由单原子厚碳原子连接成的六边形的轻便和坚固的结构。
现在,ORNL和北卡罗来纳州立大学的科学家在Nature Communications的一篇论文中报道了首例没有金属底物生长石墨烯纳米带的文章。相反,它们注入能够促进化学反应的电荷载体,促进聚合物前体转化为石墨烯纳米棒。在选定的位置,这种新技术可以在具有不同电子特性的材料之间建立界面。这样的接口是从集成电路和晶体管到发光二极管和太阳能电池的半导体电子器件的基础。
石墨烯纳米带与普通的单原子层碳同属碳的“二维”片材,但性能却大不相同。它会根据带缘结构的不同变换性能,这一点它们差别很大。李安平和他的同事们不借助金属基底制备出了石墨烯纳米带:通过注入载流子(电子或空穴),促进聚合物前体转化为石墨烯。
对石墨烯纳米带而言,材料的边缘结构非常重要,带缘结构的细微改变会引起材料性能较大的波动。如果带缘结构是六边形类似“椅子”的构象(与环己烷“船”型构象完全相反),材料将表现出半导体的性质,相反,如果带缘切除一个三角形,产生锯齿形的边缘,那么石墨烯纳米带将具有金属的性质。
十年前开始,人们称单层碳原子层为石墨烯,其在可见光下的高度透明性使石墨烯成为应用于电子显示的理想材料。
材料在衬底顶部生长的过程称为外延生长。外延生长的GaAs和相关化合物在许多现代技术中处核心位置,包括用于节能固态照明的发光二极管、光通信用激光器以及用于移动电话和其他无线通信的高速电路。在使用外延生长GaAs的普通方法中,需要尽最大努力来确保衬底的表面没有被其他材料或GaAs氧化物的污染。在基质表面放置一层精心制备的石墨烯,利用石墨烯来削弱衬底对外延生长过程的引导能力。
今天在Nature报道的新方法中,利用单原子的薄片石墨作为一种“复印机”,可以从下面的半导体晶片将复杂的结晶图案传送到相同材料构成的顶层。Kim表示,采用这项技术,制造商现在可以使用石墨烯作为中间层,允许它们复制和粘贴晶片,将复制的膜与晶片分离,并重复利用晶圆。
自2004年石墨烯发现以来,研究人员一直在研究其卓越的电学性能,希望提高电子设备的性能和降低成本。具有超薄铁氟龙特性的石墨烯可以夹在晶片和半导体层之间,该材料一旦被印迹,就可以简单地从石墨烯表面剥离,从而允许制造商重新使用原来的晶片。
研究人员一直以来都在使用易于获得且无争议的间充质干细胞(因为它们可以形成骨骼、软骨和脂肪细胞,也称为骨髓基质干细胞。),并用化学过程来将它们转化或分化为Schwann细胞。
目前,爱荷华州立大学的研究人员正在探索一种更好的方法,以使间充质干细胞转化为类Schwann细胞。结果表明,间充质干细胞在已处理的电路凸起、粗糙处以及三维(3D)纳米结构上均形成粘附并且生长良好。若每天加10分钟100mV的微量电流,15天后,这些干细胞便分化成Schwann细胞。
Lawrence Berkeley国家实验室的研究人员已经成功证明了二维(2D)层状晶体可以通过范德华力聚集在一起,这些二维结构晶体包括石墨烯和硫化钼,他们可以展现材料本身的铁磁性。这项发现对于实际应用有着深刻的影响,包括磁传感器和正在发展的电子信息编码技术。
麻省理工学院的物理学家发现:当石墨烯薄片与两种超导材料紧密接触时,它便可以继承一些材料的超导特性。
通过不断地研究发现,科学家们构想的这一石墨烯平台不仅能够被用于探索外来粒子,例如被认为在Andreev状态下出现的马约拉纳费米子。也同样可以成为构建强大的、拥有防错技术的量子计算机的关键粒子。
一个国际科学家团队开发了一种从简单体中生产单层石墨烯的新方法:这种简单体是只含有两个碳原子的最小烯烃分子——乙烯。
研究人员通过将乙烯分阶段加热至比以前实验的温度更高(即略高于700摄氏度的温度),并在铑作为催化剂条件下生产出了单纯石墨烯层。这种采用逐步加热达到更高温度的生产方法,克服了早期从碳氢化合物前体直接生产石墨烯的方法中所遇到的挑战。
最近,Angewandte Chemie 国际版杂志报导了清华大学的研究人员提出的一种用于无枝晶锂金属阳极的氮掺杂石墨烯基体,这种石墨烯基体含有密集且均匀分布的亲锂官能团。
清华大学化学系教授张强说:“锂枝晶的生长阻碍了锂金属阳极的发展。清华大学本科生陈晓茹介绍道,“我们发现,具有良好亲锂性的亲锂材料可以促进金属锂形核。清华大学陈翔博士说:“通过我们的实验和DFT计算结果证实含氮官能团是亲锂点。曹强说:“在本文中,我们提出了一种基于亲锂点诱发形核的新策略,以解决严重枝晶化的难题。 用亲锂基控制锂电镀时的形核过程,给所有的锂金属电池的研究指出了新的方向,如:Li-S,Li-O2以及未来的 Li-ion电池。
二维结构的石墨烯是由单层碳原子组成的,具有非常优异的各项性能。它不仅具有透明材料极好地导电和导热能力,同时还兼具一定的柔韧性和优异的力学性能。
通过将化学键合的原子和分子插入到石墨烯结构(所谓的官能团)中,就可以使导电性在金属和半导体之间连续变化。不过,只有能够很好的控制石墨烯的合成过程,例如控制好由官能团引起的石墨烯的导电性、尺寸和缺陷的变化,才能够在半导体工业中成功地使用石墨烯。
在保证轻质材料的高强度和韧性方面,石墨烯是可以胜任的。然而,在最需要这些性能的应用领域,如航空航天、自动化、基础设施和运输,使用石墨烯的成本仍太高且不切实际。
现在,由Markus Buehler领导的麻省理工学院的研究人员通过实验和模拟来设计一种基于石墨烯氧化物的复合材料,针对石墨烯氧化物的强度和韧性进行了优化,并展示了湿度如何提高这些性能。通过将不同浓度的水引入到模型中,研究人员可以确定湿度对GO层之间的氢键相互作用和层间距的影响。
莱斯大学科学家发明了可以用于超级电容器等应用的激光诱导石墨烯(LIG),并且现在已经找出了一种使海绵状石墨烯超疏水或超亲水的方法。Tour说:“在此之前,实验室也可以使石墨烯疏水或亲水,但它涉及湿化学或化学气相沉积工艺的多个步骤,目前,我们在一个自制的气氛室里用相对便宜的材料一步一步地做到这一点。
在生产量子计算机的竞争中,许多项目正在寻求一种制造稳定量子位的方法,这意味着它们不会受到环境变化的影响。这通常需要能够在非常低的温度下运行的高度非线性非耗散元件。
为了实现这个目标,EPFL光子和量子测量实验室LPQM(STI / SB)的研究人员研发了一种基于石墨烯的非线性的量子电容器,这种电容器属于二维(2D)材料且可与超导电路的低温条件兼容。
肼类燃料电池技术在清洁能源领域具有巨大的前景,不仅因为其能量密度比氢气更高,而且由于它的液体状态使其处理起来更安全。
在清洁能源领域中,肼类燃料电池技术具有很大的应用前景.。然而,目前的这类电池主要是使用贵金属(如铂)来进行肼氧化,使得制备成本升高,这也阻碍了肼燃料电池技术的进一步应用。另外,在制备过程中,气体容易粘附在电极的表面上,导致电极总效率低下。
随着我们对核聚变研究的不断深入,人们对能够在高能源环境中运行的技术的需求变得越来越迫切。现在,英国和西班牙的研究人员发现了一种可以让我们在核反应堆内拍照的材料。
以石墨烯材料为基础,Saverio Russo和他在英国埃克塞特大学的团队使用激光来雕刻较低载体浓度的区域。激光去除一些FeCl3分子,并在高掺杂和激光处理区域的材料之间产生光激活连接。当光照射到这个结点上时,就可以在整个材料上检测到电流,就像摄像头传感器中的像素一样。
在双层石墨烯异质结构中,纽约哥伦比亚大学的研究人员观察到量子霍尔体系中的激发子的Bose-Einstein凝聚物。 在高温和零磁场下,这种系统被认为是承载超导状态的激子类似物,因此可用于研究固相中强相互作用的玻色子粒子。冷凝物也可用于制造Josephson junctions,,这是量子计算机的基础。
石墨烯具有良好的导电性,这意味着电子很容易穿过石墨烯层。这样,低能量的电子将与石墨烯层产生很小的相互作用,从而使病毒样品在图像中更加突出。与传统的碳膜相比,石墨烯膜的厚度也为图像提供了一个更明亮的背景,从而使研究材料与背景有了更好的对比。
伊利诺伊大学芝加哥分校的科学家已经发现了一种新的化学方法,该方法不仅能使石墨烯保持住超高速电子器件的性能,而且还能使石墨烯在实际中得到广泛的应用。
副教授Vikas Berry兼化学工程部门负责人及其同事使用化学工艺,在不改变石墨烯中碳原子的性质和排列的前提下,就将纳米材料附着在石墨烯上。Vikas Berry的新方法不是将分子添加到石墨烯的单个碳原子中,而是将诸如铬或钼的金属原子添加到一个苯环的六个原子中。与以碳为中心的化学键不同,该键被离域化,这使得碳原子的排列保持不变和呈平面状,从而使得石墨烯保持其独特的导电性能。
科学家已经开发了一种表征石墨烯性质的新方法,该方法在破坏石墨烯本身的情况下,就可以研究石墨烯和其他二维材料的电阻和量子电容。
科学家将石墨烯嵌入氮化硼中,将其放置在超导体上,并将其与微波谐振器耦合。石墨烯的电阻和量子电容都会影响谐振器的质量因子和谐振频率。通过比较具有和不具有封装的石墨烯的谐振器的微波特性,科学家们可以确定封装的石墨烯的电阻和量子电容。
莱斯大学和中国天津大学的纳米技术人员使用三维激光打印来制造厘米尺寸级别原子薄的石墨烯。
在最新研究中,Tour实验室的团队以及赖斯的朱璐和天津的Naiqin Zhao的实验室都采用了普通的3-D打印技术来制作石墨烯泡沫的指尖块。 该过程在室温下进行,不需要模具,原料为糖粉和镍粉。该方法产生的泡沫是低密度、3-D形式的石墨烯,且具有大孔,占其体积的99%以上。
把tera赫兹波应用在电子设备上,未来的数据通信可以得到很大的提升。到目前为止,太赫兹(THz)频率还没有被最佳地应用到数据传输中,但是通过使用石墨烯,研究人员已经离电子工业可能的模式转变更近了一步。
查尔莫斯科技大学的高级研究员Andrei Vorobiev说:“石墨烯的一种特殊特性是:电子的移动速度比现在使用的大多数半导体要快得多。得益于此,我们可以获得高频率(100-1000倍于千兆赫)的频率,从而构成了tera赫兹波。然后,数据通信就有可能比现在快10倍,而且可以传输比目前更多的数据。”
吉林大学的研究人员创造出一个完全由水分控制的简单微型“机器人”。 这种“机器人”由闪光处理过的石墨烯氧化物制成,该团队制作出了一只四只脚爬行物,它的一根爪子会对空气湿度变化做出反应从而合拢。
曼彻斯特大学的一项新研究成果使得石墨烯和原子厚度材料科学技术的快速发展又向前迈进了一步。
众所周知,磁场中的运动电子一定会沿着称为回旋加速器轨道的弯曲轨迹做运动。而本次实验得到的电子的运动方式完全不同,与传统的电子行为形成鲜明对比。由于这些从直线轨迹到弯曲轨迹的变化以及在许多匹配条件下,研究人员发现了石墨烯超晶格电导率的振荡。
由于石墨烯片在很多应用中都有使用,因此更好地了解它们与其他材料之间的剪切力就显得更为重要。
传统上,这样的测量是通过粘合材料片材然后在相反的方向上拉出而进行的即测量其剪切力的方法。但是因为石墨烯片是单原子厚的,这种方法并不可行。在新方法中,一层石墨烯粘附在另一石墨烯层之前,在这一层上钻出小孔。然后通过气泵通入空气从下面产生压力,使顶部的薄片上升并将下面的薄片与它一起拉扯,形成一个气泡。然后,研究人员利用拉曼光谱测量气泡底部的拉伸量,以此作为测量两种材料之间剪切力的一种手段。
近日,由北京大学物理学院刘开辉教授与韩国基础科学研究所(IBS)多维碳材料研究中心Feng Ding教授和Rodney Ruoff教授领导的团队及其合作人员报道了大尺寸单层单晶石墨烯的合成方法。这一方法可以在石墨烯生产中实现跨越式发展:从几个小时内合成几厘米单晶石墨烯片材的技术推进到一种只需20分钟便可以合成出尺寸为 5×50㎠几乎完美(> 99.9%对齐)的单晶石墨烯的优化方法。
然后,通过另一种称为化学气相沉积(CVD)的技术,在铜箔表面上形成了数百万个平行的石墨烯岛。随着越来越多的碳原子沉积在箔上,石墨烯岛一直增长,直到它们聚结并形成覆盖整个可用表面的近乎完美的单晶石墨烯层。
莱斯大学的体育标志是一个由激光诱导的石墨烯镶嵌于大松木板上。莱斯大学的科学家使用工业激光加热木材,并将其转化为高导电石墨烯。Ye说从木材中制造石墨烯打开了一个从非聚酰亚胺材料中合成激光诱导石墨烯的新途径。
人们正在进行二维钻石制造。新的证据表明,这种超硬形式的碳可以在称为金刚石的薄膜中锻造。科学家们一直在为创造出与普通石墨烯相对的可以被称之为“钻石”的二维薄膜而努力着。研究发现,用几千倍地球大气压力去压缩一对石墨烯片时,晶体结构会发生变化,这意味着它已经从石墨变成了钻石。
莱斯大学的化学家们发明了一种基于激光诱导石墨烯的催化剂,他可以将水分解成氢和氧。Tour团队表示:“如果把水分解成氢和氧,利用催化系统和风能或太阳能发电,那么所提供的氢气是完全可再生的,并且没有污染物的排放。”而且,燃料电池的效率通常是内燃机的两倍,从而可节省能源。
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