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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。

天然微晶石墨在電磁屏蔽和吸波、燃料電池、電子、潤滑劑、自動化、熱輻射防護、原子核反應堆、石墨炸彈、火箭發動機等方面有著廣泛的應用前景，可提升天然微晶石墨的深加工技術水平和附加值，解決目前天然微晶石墨行業由于無序競爭而造成的低價傾售和資源大量浪費的嚴重問題，同時也為我國盤活該類礦種，增加有效儲量提供技術支撐。本項目已在國家自然科學基金、國土資源部公益性行業科研專項、湖南省科技廳和湖南省國土資源廳等項目的支持下，取得了以下成果：確立了制備高純超細天然微晶石墨的工藝條件和技術參

石墨是一種良好的固體潤滑劑，但是，它低的強度及與金屬截然不同的物理化學性質，使得其與金屬成為復合材料時，在金屬中的加入量很低，而且隨著加入量的增加，嚴重損壞復合材料的綜合機械性能，因此，目前石墨作為固體潤滑劑時，為了保持復合材料的機械性能，加入量大都很低。本技術獨特之處在于，首先在石墨顆粒表面包覆一層銅膜，使其整體表現為銅的性能，當它與銅形成復合材料時，銅基體形成一個三維連續骨架，石墨處于其中。這一方法使得自潤滑復合材料中石墨的含量可已大為增加，同時使復合材料整體表現為金屬性能，具有良好的自潤滑性能力、耐高溫性及導電性，較好的綜合機械性能。 應用前景： 銅石墨復合材料優良的自潤滑能力及良好的導電性能，被認為是制造高性能電刷、高速列車受電弓滑板、小型精密自潤滑滑動軸承其它滑動電接觸部件的首選材料。 受電弓滑板是電力機車上與供電導線接觸的部件，列車運行時，滑板與供電導線處于高速相對滑動之中，電力機車通過受電弓滑板從供電道線上得到所需的電力。受電弓與供電導線之間的滑動摩擦速度等于電力機車的運行速度。隨著機車運行速度的提高，對滑板的摩擦及自潤滑性能的要求也越來越高。電刷是電機中的易損部件，隨著電機向大型化、微型化、高轉速、高效率發展。要求電刷具有大的集電能力及優良的自潤滑能力，以減小電機的尺寸，提高電機效率，使焦耳熱引起的升溫保持在低水平。機械制造技術向高精度、小型化方向發展，油潤滑變得很困難，從而為小型自潤滑精密滑動軸承提供了很好的應用市場。機車及汽車也對意外情況下缺少潤滑油時部件的自潤滑能力提出了要求。可見自潤滑材料具有廣闊的市場。

本發明公開了一種石墨烯復合膜片上電感，屬于微電子器件技術領域。本發明中，位于襯底上方的 片上電感采用石墨烯復合膜作為電感線圈材料，石墨烯復合膜由石墨烯層、絕緣介質層、金屬導電層依 次疊加組成。其中，石墨烯層和金屬導電層共同組成片上電感的導電通道，有利于降低電感電阻值，提 高電感品質因數；絕緣介質層位于石墨烯層與金屬導電層之間，對石墨烯層和金屬導電層主體進行隔離 以降低金屬導電層對石墨烯中電子輸運的干擾，使石墨烯提供大動態電感，大幅增加片上電感電

“石墨烯微結構的精準調控及其應用”首次實現石墨烯單晶量子點和單層石墨烯微結構的精準控制。 一、項目分類 重大科學前沿創新 二、成果簡介 近年來，石墨烯領域未獲得突破性應用成果，也未找到“殺手锏”應用領域，關鍵是石墨烯結構調控不到位。一個基本的共識是，對石墨烯材料的結構進行設計和調控，有助于在光電器件、能源轉化存儲、重大疾病診療、污染物治理等領域取得重大突破。上海大學吳明紅院士領銜的研究團隊聚焦“石墨烯微結構的精準調控及其應用”取得了開創性的研究成果，首次實現石墨烯單晶量子點和單層石墨烯微結構的精準控制，在Nature及其子刊上發表十余篇系列論文，獲得國家自然科學二等獎。負責人吳明紅是中國工程院院士、俄羅斯工程院和俄羅斯科學院外籍院士，獲國家杰出青年基金、教育部長江學者及創新團隊發展計劃等支持。團隊依托有機復合污染控制工程教育部重點實驗室，推動基礎科研成果向應用轉化，在生物醫學、環境治理等領域取得了相關應用突破。 一、主要理論突破 聚焦于研究主題，團隊在以下三個方面取得重要突破： 1）為解決傳統方法制備的石墨烯缺陷多，無法量產的問題，團隊在分子水平上首次使用分子融合法實現了高品質單晶石墨烯量子點的可控制備。通過對單晶石墨烯量子點精準的物理化學性質調控實現了不同亞細胞器的定位，有力推動了石墨烯量子點在生物成像、重大疾病診療中的應用。 2）為解決單層石墨烯容易聚集的難題，團隊通過“原位復合與還原”一步法調控策略，獲得單層石墨烯復合催化材料。團隊首次在該材料上觀測到光生電子空穴對分離的皮秒級超快過程，發現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律，為高質量單層石墨烯復合材料在催化等領域的廣泛應用奠定了堅實的理論基礎。 3）精確調節石墨烯層間距，可以將石墨烯有針對性地應用于離子篩分、污染物選擇性吸附等廣泛領域。團隊通過金屬水合離子的層間插入控制氧化石墨烯層間距，在國際上首次實現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、地表水水質提升上的應用 地表水內源污染治理的關鍵是削減河道污染負荷，重建水生生態。團隊以層間距可控石墨烯為基質，發展了水環境污染生態修復的疊層材料。以石墨烯為基體的復合微生物在其表面生長并形成生物膜，通過石墨烯和生物膜的協同作用，對水體污染物進行高效截留、吸附并降解。該復合技術運行成本低，治理周期短，工藝簡單，無需底泥疏浚即可將地表水提升至IV類水以上水質指標，對河水的COD、氨氮和總磷，去除率達到80%以上。目前，團隊已與上海寶山區政府建立多個石墨烯治理黑臭水體示范基地，顯著提升當地水質環境水平。 三、石墨烯負極材料的鈉離子電池儲能系統應用 鋰資源的匱乏，不足以支撐鋰離子電池在儲能市場的廣泛應用，其成本較高的弊端也逐漸顯露。同時國內外化學儲能市場需求越來越大，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。 經過對鈉離子電池材料體系篩選和研究，本團隊核心材料選用普魯士藍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極。其中普魯士藍制備主要采用沉淀法及水熱法，能耗更低。此外，普魯士藍能夠作為一種染料進行使用，其安全性非常高。經過一系列放大，正極普魯士藍材料的充放電比容量達到160 mAh/g，碳負極材料的充放電比容量達到300 mAh/g。經過中試線生產預制，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、及破壞后浸水測試的情況下，均沒有發生自燃和爆炸等情況，安全性高。 目前，擬搭建5條鈉離子電池儲能全自動生產線及相關配套設施，研發生產低成本、高安全、長壽命鈉離子電池關鍵材料，實現高性能鈉離子電池產品產業化，預計至2026年項目達產后，年產值達約22.5億元；年畝均產值1666萬元。 四、石墨烯傳感材料在呼吸式血糖儀中的應用 我國糖尿病人數眾多，并逐年上升。血糖檢測儀與檢測試紙市場規模約為460億元，然而國外品牌卻占市場份額大半。現有血糖儀采取長期有創刺血檢測，存在很大感染風險，給病友帶來巨大的生理和心理上的痛苦。呼吸式血糖檢測無創，吹氣即可檢測，完美解決市場痛點。 糖尿病患者呼吸的氣體中，可檢測的VOCs較異常，需要高靈敏度的氣體傳感器進行識別。但是，常規氣敏傳感材料檢測限與響應恢復能力不足，且難以在復雜氣體氛圍中實現特異性檢測。團隊通過對石墨烯帶隙和表界面特性的精確調控，實現皮秒級載流子空穴的形成，從而實現對氣體分子的快速響應，解決氣體傳感器靈敏度、選擇性和響應恢復迅速的關鍵科學問題。研發的呼吸式血糖儀可滿足確診病友的日常檢查、實現醫院、公共場所快速篩查、手機APP記錄管理以及網上專家互動診斷等功能，具有無創傷、無痛苦、便捷即時（15s）等特點，是首款呼吸式血糖檢測產品。目前已二類醫療器械證書，即將已進入臨床階段。

設計了新的設備和探索了新的工藝條件，成功地完成了聚四氟乙烯浸漬石墨的工藝研究，填補了該行業的國內空白。

對于HEMT功率器件來說，p-GaN柵極HEMT器件結構是目前被認為最有希望作為商業化應用的方案。不過，仍然有一些問題亟待解決，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級南科大-英屬哥倫比亞大學聯培博士生周廣楠介紹，閘極漏電與閘極工作電壓對應用于電源開關的氮化鎵HEMT器件尤為重要，能夠影響電源系統功率損耗與輸出功率。解決此項問題對于p-GaN柵極HEMT器件的商業化應用有重要的意義。

基于石墨烯的 MEMS 壓力傳感器，屬于微機電系統（MEMS）的壓力檢測器件，解決現有 MEMS 壓力傳感器尺寸較大，靈敏度有限的問題。本實用新型包括基底、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金屬電極，兩個金屬電極上分別焊接有導線。本實用新型采用石墨烯薄膜構成 MEMS 壓阻式壓力傳感器，制備方法簡單，可靠性好，壓力傳感器體積更小，從微米尺度變為納米尺度，靈敏度更高，在 1~5 層內增

本實用新型公開了一種石墨烯微型流量傳感器，屬于 MEMS 器件，用于氣流流量測量，解決現有流量傳感器功耗大、襯底存在熱傳導、響應時間長的問題。本實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。本實用新型體積小、重量輕而且性能穩定，能有效降低襯底傳熱導致的測量誤差，通過測量通入氣體前后加熱體的電阻差值