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            2020深圳石墨烯國際云論壇嘉賓-諾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授近期部分工作精選

            2020深圳石墨烯國際云論壇嘉賓-諾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授近期部分工作精選

            2020深圳石墨烯國際云論壇嘉賓-諾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授近期部分工作精選

            康斯坦丁·諾沃肖洛夫,新加坡國立大學教授、博士生導師,主要研究方向為凝聚態物理;介觀傳輸、超導和鐵磁性;納米材料及制備;石墨烯及其它二維晶體等。2004年,諾沃肖洛夫教授于曼徹斯特大學因分離石墨烯的研究而享負盛名,發表逾300篇學術論文。2010年,因石墨烯方面的成就獲得諾貝爾物理學獎,是自1973年以來最年輕的物理學獎得主。目前諾沃肖洛夫院士單篇最高引用率高達53411次(2004年Science),成為石墨烯領域引用最多的文獻,同時也是物理領域近來被引用最多的文獻。

            我們選取康斯坦丁·諾沃肖洛夫院士2016年以來的部分代表性工作,其中包括范德華異質結半導體器件、生物水滲透調控、磁性材料、柔性電子器件、超導等方向,希望對大家有一定啟發。

            1、Nature:范德華異質結構莫爾超晶格中的共振雜化激子

            二維材料的原子薄層可以組裝成垂直疊堆,這些疊堆通過相對較弱的范德華力保持在一起,從而可以使具有不相稱晶格的單層晶體之間耦合,并且可以任意旋轉。因此,在組成晶體結構的局部原子配準中出現了總體周期性,這被稱為莫爾超晶格。在石墨烯/六方氮化硼結構中,出現的莫爾超晶格使得科研人員觀察到了電子微帶,而在扭曲的石墨烯雙分子層中,其效應因層間共振條件而加強,導致了魔角位置的超導體-絕緣體轉變。康斯坦丁·諾沃肖洛夫院士團隊利用非共格的單層MoSe2/WS2半導體異質結,證明了激子帶可雜化,進而導致莫爾超晶格效應的共振加強。他們選擇MoSe2和WS2是因為它們導帶邊緣的近簡并性,從而可以促進層內和層間激子的雜化。研究中,雜化通過顯著的激子能移使層間轉角的周期性函數這一現象顯示出來,而激子能移的周期性是因為:雜化激子是由MoSe2中空穴產生的,且MoSe2與相鄰單層中扭轉依賴的電子態疊加存在相互作用。對于單層結構近乎共格的異質結,電子態的共振混合使得異質結的幾何莫爾條紋對雜化激子的色散譜和光譜具有明顯影響。該研究豐富了基于范德華異質結半導體器件中使用能帶工程的策略。

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            文章信息:Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures,Nature, 2019, 567.

            https://www.nature.com/articles/s41586-019-0986-9

            2、Nature:電流可調控氧化石墨烯中的水滲透

            理解并調控水分子在膜或毛細管中的傳輸行為對于當前的水處理和醫療保健工業具有重要意義。在過去的工作中,研究者著重于利用外加刺激,例如pH值、溫度或離子強度等改變膜的狀態實現水滲透的調節。利用電的方法來進行調控是一種很吸引人的替代手段,然而理論和模擬對于電調控的效果經常得到相矛盾的結果。康斯坦丁·諾沃肖洛夫院士及R. R. Nair教授等團隊制備了一種基于氧化石墨烯的微米級薄膜器件來進行電調控。之前的研究已經表明氧化石墨烯薄膜具有超快水滲透和分子篩功能,具有工業規模生產的潛力。為了實現對水滲透的電氣控制,研究者利用電擊穿的方法,在金和銀之間施加電壓從而在氧化石墨烯膜中嵌入導電微絲。在外加電壓下,電流流經導電微絲,微絲中的電流產生巨大電場并離子化薄膜中的水分子。這些離子化的水分子與氧化石墨烯有很強的相互作用;另一方面,離子化生成的H3O+和OH離子會促進大的水合團簇生成,這兩方面的作用極大地阻礙了水在氧化石墨烯中的移動,從而實現了加電流后對水滲透的阻止。該工作為開發用于人工生物系統,組織工程和過濾的智能膜技術開辟了道路。

            2020深圳石墨烯國際云論壇嘉賓-諾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授近期部分工作精選

            文章信息:Electrically controlled water permeation through graphene oxide membranes, Nature, 2018, 559.

            https://www.nature.com/articles/s41586-018-0292-y

            3、Nature Nanotechnology綜述:磁性二維材料與異質結構

            二維(2D)材料家族日趨發展,極大地擴展了二維中的探索范圍,以及可能產生的范德華(vdW)異質結構的范圍。2D材料涵蓋了廣泛的屬性,但是這個家族一直缺少一個重要的成員:2D磁鐵。隨著各種原子級薄磁晶體的引入,人們逐漸探索發現2D材料的鐵磁性。康斯坦丁·諾沃肖洛夫院士及其合作者討論了2D材料和塊狀晶體中磁性狀態之間的差異,并概述最近已經探索過的2D磁體,重點關注兩種研究最多的材料-半導體CrI3和金屬Fe3GeTe2-并介紹了已觀察到的物理現象;特別關注了新型vdW異質結構的范圍,這種異質結構隨著2D磁體的出現而變得可能,為這個快速發展的領域提供了新的視角。

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            文章信息:Magnetic 2D materials and heterostructures, Nature Nanotechnology, 2019. DOI: 10.1038/s41565-019-0438-6 https://www.nature.com/articles/s41565-019-0438-6

            4、Nature Communication: 用于無線連接和物聯網應用的高導電性多層石墨烯油墨

            印刷電子產品為信息技術在日常生活中的滲透提供了突破。印刷電子電路的可能性將進一步促進物聯網應用的普及?;谑┑挠湍型髟走@項技術,由于其成本低,可直接應用于紡織品和紙張等材料。康斯坦丁·諾沃肖洛夫院士及其合作者報告了適用于絲網印刷技術的石墨烯油墨生產途徑。他們使用無毒溶劑二氫乙烯基葡萄糖酮(Cyrene)顯著加快并降低了石墨液相剝離的成本。使用該墨水打印方法可以獲得高電導率(7.13×104 ?S m-1)的器件,也可以生產從MHz到數十GHz的無線連接天線,以用于無線數據通信和能量收集,該方法有望將印刷石墨烯技術大范圍推廣。

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            文章信息:Sustainable production of highly conductive multilayer graphene ink for wireless connectivity and IoT applications, Nature Communication, 2018.

            https://www.nature.com/articles/s41467-018-07632-w#Abs1

            5、Nature Physics::彈道石墨烯中臨界電流的量子振蕩和高場超導

            基于石墨烯的約瑟夫遜結為研究石墨烯獨特的電子光譜以及通過柵極電壓調整結性質而引起的鄰近效應提供了一種新的研究平臺?;诖?,康斯坦丁·諾沃肖洛夫院士及其合作者制備了具有幾微米的平均自由程,低接觸電阻和超大電流的石墨烯結。該器件在常態電阻和臨界電流中都表現出明顯的Fabry-Pérot振蕩。在低于10 mT的磁場中,鄰近效應大部分被抑制,顯示出傳統的夫瑯荷費衍射圖。而在高于1 T的磁場中,也存在一些鄰近效應。超導狀態隨磁場和載流子濃度的變化而隨機的出現和消失,并且每個超導態都顯示出接近于通用量子極限的超電流承載能力。他們將高場約瑟夫森效應歸因于在石墨烯邊緣附近持續存在的介觀安德列夫狀態。該工作揭示了可以通過量子限制和回旋加速運動控制新的鄰近機制。

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            文章信息:Quantum oscillations of the critical current and high-field superconducting proximity in ballistic grapheme, Nature Physics, 2016.  https://www.nature.com/articles/nphys3592

            6、ACS Nano: 石墨烯薄片用于高度可擴展和超快紗線染色的可穿戴紡織品傳感器

            多功能可穿戴電子紡織品因其在醫療保健、運動服、健身、太空和軍事應用中的巨大潛力而備受關注。其中,導電紡織紗線在不損害常規紡織品的性能和舒適性的前提下,有望用作下一代柔性傳感器。然而,當前的金屬基導電紡織紗線的制造工藝昂貴,不可縮放且對環境不利?;诖?,康斯坦丁·諾沃肖洛夫院士課題組報告了基于石墨烯的柔性、可清洗和可彎曲的可穿戴紡織品傳感器。他們通過設計石墨烯薄片及其分散體為可穿戴紡織品應用選擇最佳配方。隨后,利用高速紗線染色技術,采用石墨烯基油墨對紡織紗線進行染色(涂覆)。然后,將此類基于石墨烯的紗線作為柔性傳感器集成到針織結構中,該設計可通過自供電的RFID或低功耗的藍牙將數據無線發送到監控設備。由此制得的石墨烯織物傳感器顯示出優異的溫度敏感性,良好的可洗性和極高的柔韌性。該方法將有利于擴大可穿戴電子設備的應用規模。

            2020深圳石墨烯國際云論壇嘉賓-諾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授近期部分工作精選

            文章信息:Engineering Graphene Flakes for Wearable Textile Sensors via Highly Scalable and Ultrafast Yarn Dyeing Technique, ACS Nnao, 2019, 13, 3847-3857.

            https://www.nature.com/articles/s41586-018-0292-y

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