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世界领先的石墨烯研究中心——英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院
2019/09/25 点击 2880 次

中国粉体网讯  2010年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫因石墨烯研究方面的成就获得当年诺贝尔物理学奖。作为石墨烯的诞生国,英国看到了石墨烯这种超级材料的无限发展前景。瞄准新一轮产业革命,2011年,英国政府决定在曼彻斯特大学建造国家石墨烯研究所(National Graphene Insttitute,NGI)。2015年3月,耗资6100万英镑的NGI正式挂牌成立。


 

国家石墨烯研究所(NGI)


世界领先的石墨烯研究基地


超高规格设施

这座7,825平方米的五层建筑采用开创性的技术设计,将超高规格的设施融入其中,打造出世界领先的研究中心。


石墨烯研究的专用空间

NGI拥有1500平方米的100级和1000级洁净室,这是世界上最大的石墨烯研究学术空间。


高质量的现代设备

该研究所还拥有价值1100万英镑的设备,使学者和行业合作伙伴能够进行开创性的研究。


合作是国家石墨烯研究所的关键


NGI是当前英国乃至世界石墨烯相关研究的策源地,研究中心亦是商业中心,NGI核心使命在于不断开拓二维(2D)材料科学与应用前沿领域,兼顾石墨烯以及二维材料产业化、商业化。以NGI为中心,石墨烯工程创新研究中心(Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC)和Henry Royce研究院承接和发展NGI研究成果,不断探索二维材料商业应用新模式。


合作是国家石墨烯研究所的关键。目前超过80家公司已经与曼彻斯特大学合作,致力于石墨烯的应用。


NGI合作项目的例子:

新概念、应用和基础研究的演示。

通过生产新概念产品和工艺展示石墨烯的潜力。

开发低成本可扩展的高质量石墨烯制造方法。

工艺稳定,实现可重复质量,高生产产量。

石墨烯标准化、质量控制以及健康和安全。


一流的研究者和管理团队


NGI汇聚了一批世界顶级科学家,包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理论物理学家Vladimir Falko、材料学家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等。目前曼彻斯特大学有300多人从事石墨烯和相关2D材料的研究,30多个学术团体在广泛的学科领域工作——从物理和材料科学到化学和生物医学。


部分特色学者


研究方向及成果


NGI研究方向涵盖凝聚态物理、介观物理与纳米技术、纳米功能材料、光子学、纳米医学、通信应用等多学科领域。作为2D材料领域的先驱,NGI发挥着思想引擎的作用,引领2D材料研究的新方向。


NGI主要聚焦的九大研究热点


 

2019年,NGI累积发表论文近60篇,其中NS正刊5篇、大子刊3篇,Nature Communication、ACS系列等顶刊累计约19篇。统计发现,NGI近半数新发顶刊研究内容与2D材料异质结关联,主要报道异质结构中二维材料中新奇或反常电子流体和光电现象,重点聚焦基础物理领域。


近期部分成果


完美的原子级筛子


 

石墨烯可以将质子从所有其他离子中分离出来


石墨烯对质子有很好的选择性,甚至能阻挡像氯这样最小的离子,曼彻斯特大学研究显示。这一结果对于石墨烯基薄膜的开发具有重要意义,应用范围从燃料电池到海水淡化。


3D打印2D材料墨水显示出改善能量存储设备的前景


 


第一次,一组来自材料部还有国家石墨烯研究所在曼彻斯特大学使用2D材料MXene配制油墨,生产3D印刷叉指电极。发表于新材料,这些墨水已经用于3D打印电极能量储存超级电容器等设备。


新的量子现象有助于理解石墨烯电子的基本极限

 


一组来自美国大学的研究人员曼彻斯特,诺丁汉和拉夫堡发现了有助于理解基本极限的量子现象石墨烯电子。发表于自然传播,这项工作描述了单个原子薄层石墨烯中的电子是如何散射出构成六方晶格的振动碳原子的。


Science:测量石墨烯电子流体的霍尔粘度


原文链接:Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. (DOI:10.1126/science.aau0685)


文章报道了高粘性电子体系所观测的结果与标准霍尔效应行为的定性偏差。进一步的研究表明,石墨烯中的粘性电子流体产生一个与标准霍尔效应所生成电场相反的电场来响应非量化磁场。粘性的贡献是显著的且已被确认。研究人员通过大温区内反常行为的分析,提取出了学界寻找已久的霍尔粘度。



图1 磁场对粘性电子流体的影响。

(A,B)靠近电流注入点理论石墨烯电子流体电势分布;(C)普通霍尔效应对图B的贡献;(d)霍尔粘性对图B的贡献;(e)其中一个测试样品的光学图片和VR测试示意图;(f)不同磁场下VR测试结果。


Nature:在范德瓦尔斯异质结构中莫尔超晶格中的共振杂化激子


原文链接:Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. (DOI:10.1038/s41586-019-0986-9)


该文章通过组装单层MoSe2和WS2半导体异质结构,证明了激子能带可以杂化,并导致莫尔超晶格效应共振增强。选择MoSe2和WS2的原因是二者的导带边缘都是接近简并的,非常相似。当激子能量以层间转角周期性移动,杂化现象出现。该发现为异质结半导体器件的能带结构设计提供了新的策略。


图2 MoSe2和WS2异质结样品;MoSe2和WS2能带结构与布里渊区对准;吸收谱与转角的关系。


Nature nanotechnology:二维狄拉克材料中的强烈红外与太赫兹磁光效应


原文链接:Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.(10.1038/s41565-019-0489-8)


该文章中,研究人员自制磁-红外显微光谱测量系统,使用高迁移率h-BN包覆石墨烯样品,测量磁传输与法拉第旋转。研究发现在红外和太赫兹段出现强烈的磁光活动,包括吸收接近50%这个极限、100%磁圆形二项色性和高法拉第旋转。该发现证明2D狄拉克材料通过磁调谐在长波长光电器件和等离激元器件中的应用潜力。



图3 高迁移率h-BN包覆石墨烯中带内朗道能级跃迁。

(a) 理论朗道能级与磁场的关系;(b) 磁光试验系统示意图;(c) 试验样品光学照片;(d) 磁透射谱;(e) 磁透射与磁场和光子能量的关系;(f) 4.17T吸收谱


信息来源:曼彻斯特大学官网、科技日报、材料牛

(中国粉体网编辑整理/三昧)

注:图片非商业用途,存在侵权告知删除!


(来源:中国粉体网)


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