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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

世界上有數(shù)以百萬的語言障礙患者，其中有的是由于先天缺陷導(dǎo)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(fù)方法，其通常需要安裝在口內(nèi)喉部，由肺部發(fā)出的氣流經(jīng)過舌、唇的調(diào)制，引起人工喉膜片振動，使其發(fā)出語音信號。然而，現(xiàn)有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發(fā)音模糊，訓(xùn)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(yōu)異的新型人工喉的器件及系統(tǒng)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(fā)系統(tǒng)集成、動作監(jiān)測系統(tǒng)、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(fā)聲系統(tǒng)方面有了雙重突破，實現(xiàn)了石墨烯的器件級應(yīng)用至系統(tǒng)級應(yīng)用的跨越。通過專用電路對聲音信號的放大和轉(zhuǎn)換，第二代石墨烯智能人工喉首次將收聲系統(tǒng)和發(fā)聲系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)了聲音輸入到輸出的閉環(huán)，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(jié)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(xiàn)了動作發(fā)聲系統(tǒng)。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(tǒng)可通過臂包穿戴在胳膊上，首次實現(xiàn)了石墨烯人工喉的可穿戴功能。未來將進(jìn)行體積更小及功能更多的集成，有望實現(xiàn)像“創(chuàng)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(xué)物理學(xué)院寬禁帶半導(dǎo)體研究中心沈波和楊學(xué)林課題組與俞大鵬、劉開輝課題組合作，成功實現(xiàn)了Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的外延生長，相關(guān)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(dǎo)體具有帶隙大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度大等優(yōu)異，能夠滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高頻、高功率等性能的要求，對國家的高技術(shù)發(fā)展和國防建設(shè)具有重要意義。由于缺乏天然的GaN單晶襯底，GaN基半導(dǎo)體材料和器件主要在異質(zhì)襯底上外延生長。因具有大尺寸、低成本及易于集成等優(yōu)點，Si襯底上外延GaN成為近年來學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界高度關(guān)注的熱點領(lǐng)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(jié)構(gòu)為三重排列，可為六方結(jié)構(gòu)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(shù)的主流襯底，獲得Si(100)襯底上GaN外延薄膜對于實現(xiàn)GaN器件和Si器件的集成至關(guān)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(gòu)體，導(dǎo)致GaN面內(nèi)同時存在兩種不同取向的晶疇。迄今國際上還未能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)林課題組創(chuàng)造性地使用單晶石墨烯作為緩沖層，在Si(100)襯底上實現(xiàn)了單晶GaN薄膜的外延生長，并系統(tǒng)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(xué)基礎(chǔ)，而且對當(dāng)前國際上關(guān)注的非晶襯底上氮化物半導(dǎo)體外延生長和GaN基柔性器件研制具有重要的指導(dǎo)價值。

近日，清華大學(xué)材料學(xué)院朱宏偉教授團隊在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上在線發(fā)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(tǒng)總結(jié)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(fā)電、能量存儲及溶液/復(fù)合材料分散等應(yīng)用中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用，分析了陽離子-π相互作用的影響機理，綜述了現(xiàn)階段相關(guān)理論工作進(jìn)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(yīng)進(jìn)程中必不可少。近年來，陽離子-π相互作用在生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)中的重要性被廣泛關(guān)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(jié)構(gòu)中電子的重新分布，進(jìn)而影響石墨烯材料的本征性質(zhì)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(diào)控、器件的優(yōu)化設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計及其在能源（太陽能電池、光電探測、光電催化）、環(huán)境（水處理、空氣凈化、土壤治理）、柔性傳感器件等領(lǐng)域開展了大量研究工作，取得了一系列重要進(jìn)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(guān)研究報道進(jìn)行了梳理和討論，并對其發(fā)展趨勢和前景進(jìn)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(xué)材料學(xué)院2016級博士生趙國珂。本研究得到國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)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

本發(fā)明公開了一種基于石墨烯卷的緩蝕劑微膠囊，所述微膠囊的囊壁材料為石墨烯，所述微膠囊的芯材為有機緩蝕劑。本發(fā)明還公開了上述微膠囊的制備方法，將有機緩蝕劑的水溶液與氧化石墨烯共混后，于80～200℃水熱處理8?24h，水熱條件下石墨烯成卷的同時將緩蝕劑包覆于微膠囊中，芯材包覆質(zhì)量高，緩蝕劑緩釋特性好；本方法包覆過程簡單，操作方便，不需要額外添加助劑，制備成本低廉。

已有樣品/n石墨烯由于其獨特的二維納米結(jié)構(gòu)，且具有高強度、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)良的導(dǎo)熱性等特性，在防腐涂料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯、氮化硼等二維材料由于其特殊的結(jié)構(gòu)使其具有不透過性，作為金屬基底與腐蝕環(huán)境的阻隔層而保護基底不被自然環(huán)境所腐蝕。通過化學(xué)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(xué)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(xiàn)對金屬表面的全面保護。市場預(yù)期：該技術(shù)可應(yīng)用于精細(xì)元器

項目成果/簡介:世界上有數(shù)以百萬的語言障礙患者，其中有的是由于先天缺陷導(dǎo)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(fù)方法，其通常需要安裝在口內(nèi)喉部，由肺部發(fā)出的氣流經(jīng)過舌、唇的調(diào)制，引起人工喉膜片振動，使其發(fā)出語音信號。然而，現(xiàn)有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發(fā)音模糊，訓(xùn)練周期長，并且需要患者自己手持助

01. 成果簡介 世界上有數(shù)以百萬的語言障礙患者，其中有的是由于先天缺陷導(dǎo)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(fù)方法，其通常需要安裝在口內(nèi)喉部，由肺部發(fā)出的氣流經(jīng)過舌、唇的調(diào)制，引起人工喉膜片振動，使其發(fā)出語音信號。然而，現(xiàn)有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發(fā)音模糊，訓(xùn)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(yōu)異的新型人工喉的器件及系統(tǒng)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(fā)系統(tǒng)集成、動作監(jiān)測系統(tǒng)、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(fā)聲系統(tǒng)方面有了雙重突破，實現(xiàn)了石墨烯的器件級應(yīng)用至系統(tǒng)級應(yīng)用的跨越。通過專用電路對聲音信號的放大和轉(zhuǎn)換，第二代石墨烯智能人工喉首次將收聲系統(tǒng)和發(fā)聲系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)了聲音輸入到輸出的閉環(huán)，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(jié)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(xiàn)了動作發(fā)聲系統(tǒng)。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(tǒng)可通過臂包穿戴在胳膊上，首次實現(xiàn)了石墨烯人工喉的可穿戴功能。未來將進(jìn)行體積更小及功能更多的集成，有望實現(xiàn)像“創(chuàng)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(tǒng)02. 應(yīng)用前景 第二代智能石墨烯人工喉集收聲和發(fā)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(zhuǎn)化為對應(yīng)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(xué)習(xí)等技術(shù)結(jié)合，在語音識別、家庭醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊前景。03. 知識產(chǎn)權(quán) 已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)2項。04. 團隊介紹 本成果項目團隊負(fù)責(zé)人為任天令教授，清華大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副院長，教育部長江學(xué)者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，清華大學(xué)環(huán)境與健康傳感技術(shù)研究中心副主任。擔(dān)任IEEE電子器件學(xué)會副主席（中國大陸首次）、國際微電子領(lǐng)域頂級學(xué)術(shù)會議IEDM執(zhí)委（中國大陸首次）、IEEE電子器件學(xué)會教育委員會主席（中國大陸首次）、中國微米納米技術(shù)學(xué)會理事等。近年來，承擔(dān)國家自然科學(xué)重點基金、國家重大科技專項、國家公益性行業(yè)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(chuàng)新學(xué)術(shù)成果。主要研究方向為智能微納電子器件、芯片與系統(tǒng)，包括：智能傳感器與智能集成系統(tǒng)，二維納電子器件與芯片，柔性、可穿戴器件與系統(tǒng)，智能信息器件與系統(tǒng)技術(shù)等。在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊和會議發(fā)表重要SCI期刊論文400余篇，國際微電子領(lǐng)域頂級學(xué)術(shù)會議IEDM論文11篇；獲國內(nèi)外發(fā)明專利70余項，入選2018年愛思唯爾（Elsevier）“中國高被引學(xué)者”（微電子領(lǐng)域唯一入選者）。獲2018年電子學(xué)會自然科學(xué)一等獎，“石墨烯智能人工喉”榮獲科技導(dǎo)報評選的2017“中國十大重大技術(shù)進(jìn)展”，“人工智能微納電子器件”榮獲2017“清華大學(xué)十大重大學(xué)術(shù)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(chǎn)業(yè)博覽會十大“黑科技”創(chuàng)新產(chǎn)品（從1082項創(chuàng)新產(chǎn)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(shù)許可。06. 聯(lián)系方式 郵箱：qyc16@mails.tsinghua.edu.cn、liuyi2017@tsinghua.edu.cn

層間轉(zhuǎn)角在層狀堆垛的二維材料體系中提供了一個全新的自由度來調(diào)控其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。近幾年，相關(guān)方面的研究引起了廣泛的關(guān)注。早在2012年，何林課題組就開始關(guān)注轉(zhuǎn)角對雙層石墨烯結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的影響，測量了不同轉(zhuǎn)角雙層石墨烯的兩個范霍夫峰的峰間距能量與轉(zhuǎn)角大小的關(guān)系[1]，并預(yù)言該體系中的準(zhǔn)粒子具有可調(diào)控的手征性[2]，研究了應(yīng)變結(jié)構(gòu)在該體系產(chǎn)生的贗磁場和贗朗道能級[3]。2015年，何林團隊發(fā)現(xiàn)雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系費米速度隨角度減小而迅速下降，證明在轉(zhuǎn)角為1.1度(第一魔轉(zhuǎn)角)附近時費米速度降為零[4]，并于2017年，在轉(zhuǎn)角接近魔轉(zhuǎn)角的雙層石墨烯體系觀察到強電子-電子相互作用[5]。2018年初MIT的Pablo課題組在魔角雙層石墨烯觀察到電子-電子相互作用導(dǎo)致的關(guān)聯(lián)絕緣體態(tài)和超導(dǎo)態(tài)，魔角雙層石墨烯物性研究迅速成為過去兩年凝聚態(tài)物理研究的最大熱點。 近期，何林課題組發(fā)展了一套方法，能夠可控地制備利于掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)（STM）研究的雙層轉(zhuǎn)角石墨烯，并利用STM研究了小角度雙層石墨烯的性質(zhì)，深入探索該體系由于電子-電子相互作用導(dǎo)致的平帶簡并度解除和新奇強關(guān)聯(lián)量子物態(tài)的關(guān)聯(lián)。例如，何林課題組與合作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)小轉(zhuǎn)角體系的平帶被部分填充時，電子-電子相互作用會解除平帶的谷贗自旋簡并度，在體系中產(chǎn)生很大的軌道磁矩（每個莫爾約10μ_B），由于軌道磁矩和磁場的耦合，谷極化態(tài)的劈裂能量會隨著外加磁場線性增大[6]。同樣的結(jié)果也在應(yīng)變引起的平帶中觀察到了，當(dāng)雙層石墨烯的轉(zhuǎn)角接近魔角時，體系中微小的應(yīng)變結(jié)構(gòu)可以使兩個范霍夫峰之間出現(xiàn)一個新的零能量平帶（贗朗道能級），何林課題組與合作者發(fā)現(xiàn)電子-電子相互作用會解除贗朗道能級的谷贗自旋簡并度，產(chǎn)生軌道磁性態(tài)[7]。這些結(jié)果表明小轉(zhuǎn)角石墨烯體系是研究二維軌道磁性態(tài)和量子反常霍爾效應(yīng)的理想平臺。在角度大于魔角的小轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中，何林課題組與合作者證明電子-電子相互作用依然會起重要作用，并有可能產(chǎn)生完全不同于魔角雙層石墨烯的新奇強關(guān)聯(lián)量子物態(tài)。例如在1.49度的樣品中，他們證明電子-電子相互作用解除了體系平帶中的自旋和谷贗自旋的簡并度，產(chǎn)生了一種全新的自旋和谷極化的金屬態(tài)[8]，這一結(jié)果進(jìn)一步拓寬了轉(zhuǎn)角體系新奇強關(guān)聯(lián)量子物態(tài)的研究范圍。 除了電學(xué)性質(zhì)受層間轉(zhuǎn)角的調(diào)制，在雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系，由于層間堆垛能與層內(nèi)晶格畸變引起的應(yīng)變能的競爭，其原子結(jié)構(gòu)也會隨著角度發(fā)生改變。最近，何林課題組系統(tǒng)研究了雙層轉(zhuǎn)角石墨烯結(jié)構(gòu)隨著角度的演化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)角大于魔角時，體系可以看作兩個獨立的剛性石墨烯層發(fā)生扭轉(zhuǎn)，層內(nèi)晶格畸變幾乎可以忽略（定義為非重構(gòu)結(jié)構(gòu)）；當(dāng)轉(zhuǎn)角小于魔角時，由于莫爾條紋周期較大，層間堆垛能占主導(dǎo)，從而引起晶格畸變產(chǎn)生堆垛的疇界（domain wall）網(wǎng)格（定義為重構(gòu)結(jié)構(gòu)）。這種疇界的兩邊都是Bernal堆垛的雙層石墨烯（分別為AB堆垛和BA堆垛），能傳輸谷極化的電流（圖一）。我們利用STM證明非重構(gòu)和重構(gòu)的兩種結(jié)構(gòu)在魔角附近都能穩(wěn)定存在。進(jìn)一步，我們發(fā)現(xiàn)利用STM針尖脈沖可對魔角雙層石墨烯的非重構(gòu)和重構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行切換，從而開關(guān)其二維導(dǎo)電拓?fù)渚W(wǎng)格。同時，我們發(fā)現(xiàn)在強關(guān)聯(lián)效應(yīng)中起到重要作用的魔角雙層石墨烯平帶的帶寬也能在這一過程中被調(diào)控[9]。相關(guān)成果近日刊發(fā)在物理學(xué)期刊《Physical Review Letters》上。何林教授課題組博士生劉亦文為第一作者，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的蘇贏博士為文章的共同第一作者，何林教授為通訊作者。