世界领先的五大石墨烯研究中心与中国顶尖石墨烯研究机构

浏览数量: 0     作者: 本站编辑     发布时间: 2022-08-26      来源: 本站

石墨烯作为第一种被发现的二维材料,自2004 年问世以来,就迅速吸引了世界范围内的广泛关注和研究兴趣。尽管已经15年过去,但是,石墨烯以及相关二维材料的研究依然热度不减,新兴研究领域不断被开拓。在当前新一轮产业升级和科技革命大背景下,新材料产业必将成为未来高新技术产业发展的基石和先导,对全球经济、科技、环境等各个领域发展产生深刻影响。中国是石墨资源大国,也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。


石墨烯作为一种碳基新材料,具有良好的光、电、热、力性能,在电子信息、新材料、新能源、生物医药等领域具有广阔的应用前景,正成为全球新技术新产业革命的焦点。目前,全球已有80多个国家投入石墨烯材料研发,美、英、韩、日、欧等更将石墨烯研究提升至国家战略高度。本文将为大家介绍当前研究领域领先的世界五大石墨烯研究中心及中国的顶尖石墨烯研究机构。


一、曼彻斯特石墨烯国家研究院


石墨烯问世于曼彻斯特大学,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。


NGI是当前英国乃至世界石墨烯相关研究的策源地。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。


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。


二、剑桥石墨烯研究中心


剑桥石墨烯研究中心(Cambrige Graphene Centre,CGC)同曼大NGI一样是英国石墨烯协同创新组织的一部分。CGC的定位是工程创新中心,主要任务是桥接学界和工业界,推动石墨烯及2D材料的产业化,促进应用科研成果的市场化进程,重点强调2D材料相关的应用。


投资CGC的主要目的在于填补两个方面的空白:(1)面向工业生产,研究中试工艺设备体系,测试与优化基于石墨烯、纳米材料以及其他新型2D材料的喷墨打印技术;(2)面向自供能、无线互联等对能源存储的要求,研究基于透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相关材料赋能新型柔性、节能电子、光电器件是上述工作面临的核心挑战。


为逐步攻克上述难关,CGC从四个大方向布局2D材料相关研究:(1)材料的生长、转移和打印;(2)能源应用;(3)器件互联;(4)传感器应用。


2019年剑桥大学纳米科学中心Colm Durkan博士在《Adv. Mater》期刊提出了一种简单有效的解决方案,用于去除石墨烯表面上的PMMA残留物。


图1、石墨烯器件制造的示意图。a)在Cu箔上CVD生长的石墨烯旋涂有块状PMMA作为支撑层。b)在转移到硅衬底上并且去除了块状PMMA之后,留下石墨烯表面但是具有一些聚合物残留物。c)在用于图案化石墨烯 - 金属接触的电子束光刻之后的抗蚀剂显影之后,更多的PMMA残留物留在石墨烯表面上。d)然后在金属化之后将这些残留物捕获在石墨烯和金属电极之间。e,f)在(b)和(c)的两个步骤之后,如本工作中提出的在离子溶液中处理样品可以有效地去除石墨烯表面上的残留物。


为了理解观察结果,应该认识到PMMA是疏水的,石墨烯也是如此。因此,PMMA强烈粘附于石墨烯表面。PMMA具有碳骨架,具有酯侧链。当暴露于低pH时(如HCl的情况),酯可以水解得到醇(其将分散成溶液)和脂肪酸,其保持附着在骨架上。这种酸性形式的PMMA将是亲水性的,因此i)与下面的石墨烯具有更弱的相互作用,并且ii)将与水更强烈地相互作用。两者的组合导致PMMA缓慢溶解。至于NaCl的作用,可能发生不同的反应,包括PMMA的甲基侧基的氯化,以产生氯甲烷,其也是高极性的,因此是水溶性的。


三、西班牙光电科学研究所


西班牙光电科学研究所(The Institute of Photonic Science, ICFO)是一所专注于光电研究的世界级研究中心,网罗世界范围内高端光电领域基础与应用研究科学家,立志于解决光电前沿领域的未知问题,推动先进光电技术的应用。鉴于石墨烯和2D材料的新奇光电特性以及飞速发展,与量子和纳米生物学并列,ICFO独立开辟石墨烯和2D材料研究新板块,希望利用2D材料替代传统光电材料,解决当前光电领域所面临的困难和挑战。基础科学探索与新兴应用研究并举,ICFO在基础科学和在新兴应用分别确立了四大探索研究方向。


2017年,西班牙光子科学研究所首次制备出高分辨率石墨烯-量子点CMOS成像传感器。 2019年,上述课题组累计发文15篇,Nature、PRL、ACS系列等顶刊近6篇,发文热点主要集中在二维材料纳机电振子、魔角石墨烯和石墨烯光电领域。、


在能源方面,ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行应用途径,并通过新型功能材料和纳米结构的应用研发可再生能源器件。


在高精传感方面,ICFO的研究重点是基于石墨烯纳机电振子的超分辨质谱仪和光力系统,并行开展基于石墨烯的中红外探测器、气体探测器和应用于DNA、蛋白质等的生化传感器。


在表面等离激元光子学方面,主要研究石墨烯等离激元的电调控与探测、基于石墨烯等离激元的光调制等等。


在基础光学方面,主要研究纳米量子光学、人造石墨烯、超快光学以及石墨烯非线性光学等。


在成像系统应用方面,ICFO主要研究能够覆盖深紫外-可见光-红外的基于COMS工艺图像传感器。


在可穿戴应用方面,主要研究柔性、半透明的健康检测系统,能够有效检测血氧等多健康参量。


在光电探测器方面,主要研究基于宽带吸收的超宽带探测器以及结合石墨烯、量子点和其他2D材料的集成探测器。


在柔性传感器方面,主要研究石墨烯和其他2D材料赋能的柔性传感器,包括光学传感器、RFID、生化传感器、气体传感器、柔性屏和抗菌、超润滑表面等。


四、新加坡国立大学先进二维材料研究中心


2010年新加坡国立大学(NUS)宣布,它将设立一个新的研究中心,主要是集中在二维材料上(就像石墨烯)的研究。 所谓的“二维材料中心”(2MC)在未来10年里将获得国家研究基金会的4000万美元的资金。


新加坡国立大学先进二维材料研究中心(The NUS Centre for Advanced 2D Materials,CA2DM)与曼大NGI和剑桥CGC类似,是一所在2D材料发展浪潮的助推下成立的新研究中心,旨在从概念、表征、理论建模和应用等全方位探索和跟进2D材料所带来的革命性技术。


因此,CA2DM分为四个大的研究组:(1)石墨烯组;(2)其他2D材料组;(3)2D器件组合;(4)理论组。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料综合研究中心,在基于2D材料的基础科学研究和产业化应用方面走在亚洲国家前列。


2019年,CA2DM累计发文96篇,Nature正刊1篇、NS子刊、Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS系列等顶刊近40篇,发文几乎涵盖上述各个研究方向。


五、韩国三星综合技术院


韩国石墨烯产业发展产学研结合紧密,在基础研究及产业化方面发展较为均衡,特别是在产业企业层面,SAIT投入了巨大研发力量,保证了其在石墨烯应用于柔性显示、触摸屏以及芯片等领域的国际领先地位。


韩国三星综合技术院(Samsung Advanced Institute of Technology,SAIT)隶属于三星集团探索与发展事业集群,建立宗旨是“无限探求”(Boudless research for breakthrough)前沿科技,其核心使命包括:(1)为新市场研究领先的或原创技术;(2)促进技术融合创新;(3)推动纳米科技发展;(4)研究颠覆性技术。


未来10年石墨烯具有提升和变革若干产业领域的巨大潜力,同时也有望在欧州和全球创造大量新增就业机会。因而,从技术角度审视石墨烯究竟对哪些具体产业领域更为重要,这非常关键。


中国顶尖石墨烯研究机构之一 ——北京石墨烯研究院


北京石墨烯研究院(BGI)是在北京市政府支持下,由北京大学与中国建材集团、中国宝安集团等行业龙头企业于2016年联合发起成立的专注于石墨烯产业核心技术研发、高端研发代工服务、科技成果孵化转化的新型研发机构;同时成立BGI科技股份有限公司作北京石墨烯研究院成果转化与产业化推进载体。首任院长由国际著名纳米碳材料专家、北京大学刘忠范院士担任,并邀请诺贝尔奖获得者、曼彻斯特大学康斯坦丁•诺沃肖洛夫教授担任名誉院长。


北京石墨烯研究院对接产业发展和国家重大需求,布局石墨烯产业核心关键技术,践行企业高端研发代工新型服务模式,培植一批石墨烯杀手锏级应用,孵化一批石墨烯高科技企业群,培育千亿级石墨烯产业集群,打造我国石墨烯产业核心竞争力。


引领石墨烯产业的核心技术策源地、高科技产业创新机制与创新文化示范区、全球石墨烯高端人才汇聚地、石墨烯产业资源协同聚集体及创新创业高地。


目前,制备的石墨烯材料与理想还差得很远,因此我最近经常讲的是今天的石墨烯材料并不等同于未来的石墨烯材料,现在做的石墨烯,现在的用途未必甚至很有可能不会成为未来产业的核心。而对于我们来说,需要把它做到极致,才能形成产业,制备决定未来,关键是能不能做出真正好的石墨烯材料。


石墨烯薄膜


关于未来的石墨烯产业,将是建立在石墨烯材料的杀手锏级的应用基础之上,而不是作为万金油式的添加剂。国内市场主要关注这些产品,包括服饰、涂料、复合材料、吸附、润滑产品以及石墨烯锂电池、智能手环、石墨烯手机触摸屏等等;而国际上关注的是石墨烯超级汽车,还有物联网传感器、可穿戴设备与健康管理、数据通信、能源技术、复合材料等等。


关于中国石墨烯材料产业的现状,急功近利倾向严重,缺乏对未来石墨烯产业核心技术的关注,专利数量多,但创新能力不足,缺少真正的核心知识产权。另外,资本市场的炒作鱼目混珠,产业园区盲目建设,简单重复现象严重。检测标准尚未建立,市场产品鱼龙混杂,经费投入分散且严重不足。政府在当中要明确决策定位,着重布局未来石墨烯产业核心技术,将中低端产品放手交给市场和企业。


石墨烯专利


据英国专利咨询公司Cambridge IP的研究,截至2014年5月全球在石墨烯领域申请的专利数量为11372项,亚洲占3060项,欧洲和英国分别仅有361项和41项,明显处于落后境地。需要审慎看待石墨烯领域的专利数量。


目前中国和韩国在石墨烯领域申请了大量专利,而欧洲专利局在授予专利方面很挑剔,因而欧洲提交的专利申请数量较少。专利数量的差距,并不是表明欧洲在该技术领域处于落后境地的一项指标。


就专利绝对数量而言,不可否认欧洲处于落后,但其质量并不低于其他国家。中国的很多专利并非国际专利;韩国在某一领域的专利数量多达数十个,而欧洲专利则覆盖了众多研究领域。欧洲和英国确实需要更多专利,也正在为此努力,但需要更审慎地看待专利数量。


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