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

本項目設計開發了一種石墨烯玻璃制備方法，通過利用離子注入技術，將過渡金屬粒子注入到玻璃表面，然后在石墨烯生長過程中注入的金屬粒子有效提升玻璃表面對于碳源的裂解能力，并且促進石墨烯晶疇的成核和生長。這種方法成功在二氧化硅、藍寶石、石英玻璃等絕緣襯底上制備出高質量單層石墨烯。

01. 成果簡介 世界上有數以百萬的語言障礙患者，其中有的是由于先天缺陷導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方法，其通常需要安裝在口內喉部，由肺部發出的氣流經過舌、唇的調制，引起人工喉膜片振動，使其發出語音信號。然而，現有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發音模糊，訓練周期長，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、性能優異的新型人工喉的器件及系統研究。 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、聲音收發系統集成、動作監測系統、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聲系統方面有了雙重突破，實現了石墨烯的器件級應用至系統級應用的跨越。通過專用電路對聲音信號的放大和轉換，第二代石墨烯智能人工喉首次將收聲系統和發聲系統連接起來，實現了聲音輸入到輸出的閉環，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，實現了動作發聲系統。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可通過臂包穿戴在胳膊上，首次實現了石墨烯人工喉的可穿戴功能。未來將進行體積更小及功能更多的集成，有望實現像“創可貼”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02. 應用前景 第二代智能石墨烯人工喉集收聲和發聲于一體，可直接貼附于失語者喉部，并將喉部的不同動作轉化為對應聲音，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、機器學習等技術結合，在語音識別、家庭醫療等領域具有廣闊前景。03. 知識產權 已獲得國家發明專利授權2項。04. 團隊介紹 本成果項目團隊負責人為任天令教授，清華大學信息科學技術學院副院長，教育部長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，清華大學環境與健康傳感技術研究中心副主任。擔任IEEE電子器件學會副主席（中國大陸首次）、國際微電子領域頂級學術會議IEDM執委（中國大陸首次）、IEEE電子器件學會教育委員會主席（中國大陸首次）、中國微米納米技術學會理事等。近年來，承擔國家自然科學重點基金、國家重大科技專項、國家公益性行業科研專項、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新學術成果。主要研究方向為智能微納電子器件、芯片與系統，包括：智能傳感器與智能集成系統，二維納電子器件與芯片，柔性、可穿戴器件與系統，智能信息器件與系統技術等。在國內外重要學術期刊和會議發表重要SCI期刊論文400余篇，國際微電子領域頂級學術會議IEDM論文11篇；獲國內外發明專利70余項，入選2018年愛思唯爾（Elsevier）“中國高被引學者”（微電子領域唯一入選者）。獲2018年電子學會自然科學一等獎，“石墨烯智能人工喉”榮獲科技導報評選的2017“中國十大重大技術進展”，“人工智能微納電子器件”榮獲2017“清華大學十大重大學術成果”，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年中國國際智能產業博覽會十大“黑科技”創新產品（從1082項創新產品中脫穎而出）。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 技術許可。06. 聯系方式 郵箱：qyc16@mails.tsinghua.edu.cn、liuyi2017@tsinghua.edu.cn

石墨烯由于其獨特的二維納米結構，且具有高強度、高熱穩定性、高化學穩定性以及優良的導熱性等特性，在防腐涂料領域具有廣闊的應用前景。石墨烯、氮化硼等二維材料由于其特殊的結構使其具有不透過性，作為金屬基底與腐蝕環境的阻隔層而保護基底不被自然環境所腐蝕。通過化學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，實現對金屬表面的全面保護。

近日，清華大學材料學院朱宏偉教授團隊在《先進材料》（Advanced Materials）上在線發表了題為“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，系統總結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、納米發電、能量存儲及溶液/復合材料分散等應用中所發揮的關鍵作用，分析了陽離子-π相互作用的影響機理，綜述了現階段相關理論工作進展，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，在諸多生命反應進程中必不可少。近年來，陽離子-π相互作用在生物學、化學、物理學中的重要性被廣泛關注。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構中電子的重新分布，進而影響石墨烯材料的本征性質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控、器件的優化設計具有重要意義。 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、結構設計及其在能源（太陽能電池、光電探測、光電催化）、環境（水處理、空氣凈化、土壤治理）、柔性傳感器件等領域開展了大量研究工作，取得了一系列重要進展。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，對相關研究報道進行了梳理和討論，并對其發展趨勢和前景進行了展望。 本文通訊作者為朱宏偉教授，第一作者為清華大學材料學院2016級博士生趙國珂。本研究得到國家自然科學基金委基礎科學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

本發明公開了一種石墨烯-碳納米管復合全碳超輕彈性氣凝膠及其制備方法。它包括以下步驟：（1）將1重量份的氧化石墨烯分散于10~4000重量份的水中形成氧化石墨烯分散液；（2）將1重量份碳納米管分散于5~4000重量份的氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯-碳納米管分散液；（3）將氧化石墨烯-碳納米管分散液進行冷凍干燥或超臨界干燥，得到氧化石墨烯-碳納米管復合氣凝膠；（4）將氧化石墨烯-碳納米管復合氣凝膠采用化學還原法還原或高溫熱還原法還原，得到石墨烯-碳納米管復合全碳超輕彈性氣凝膠。本發明的工藝簡單，過程綠色環保，所得到的全碳超輕氣凝膠具有低密度、高導電率、高比表面積、彈性溫度范圍廣等優點。

本發明公開了一種超高比表面積硫氮共摻雜多孔石墨烯的制備 方法及產品，該方法包括：選用含角蛋白的生物質材料為原材料，以 其同時作為固體碳、氮、硫原料，首先初步碳化，再通過堿性溶液減 壓吸附，再經過高溫活化處理，然后酸洗真空干燥得到石墨烯。利用 角蛋白特殊鏈狀及環狀結構，將生物質角蛋白直接轉化為超高比表面 積的硫氮共摻雜多孔石墨烯。石墨烯的氮含量可高達 5.0at.％以上，硫 含量達 1.0at.％以上，比表面積高達 1

層間轉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控其結構與性質。近幾年，相關方面的研究引起了廣泛的關注。早在2012年，何林課題組就開始關注轉角對雙層石墨烯結構和電學性質的影響，測量了不同轉角雙層石墨烯的兩個范霍夫峰的峰間距能量與轉角大小的關系[1]，并預言該體系中的準粒子具有可調控的手征性[2]，研究了應變結構在該體系產生的贗磁場和贗朗道能級[3]。2015年，何林團隊發現雙層轉角石墨烯體系費米速度隨角度減小而迅速下降，證明在轉角為1.1度(第一魔轉角)附近時費米速度降為零[4]，并于2017年，在轉角接近魔轉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-電子相互作用導致的關聯絕緣體態和超導態，魔角雙層石墨烯物性研究迅速成為過去兩年凝聚態物理研究的最大熱點。 近期，何林課題組發展了一套方法，能夠可控地制備利于掃描隧道顯微鏡系統（STM）研究的雙層轉角石墨烯，并利用STM研究了小角度雙層石墨烯的性質，深入探索該體系由于電子-電子相互作用導致的平帶簡并度解除和新奇強關聯量子物態的關聯。例如，何林課題組與合作者發現當小轉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，谷極化態的劈裂能量會隨著外加磁場線性增大[6]。同樣的結果也在應變引起的平帶中觀察到了，當雙層石墨烯的轉角接近魔角時，體系中微小的應變結構可以使兩個范霍夫峰之間出現一個新的零能量平帶（贗朗道能級），何林課題組與合作者發現電子-電子相互作用會解除贗朗道能級的谷贗自旋簡并度，產生軌道磁性態[7]。這些結果表明小轉角石墨烯體系是研究二維軌道磁性態和量子反?；魻栃睦硐肫脚_。在角度大于魔角的小轉角雙層石墨烯中，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，并有可能產生完全不同于魔角雙層石墨烯的新奇強關聯量子物態。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，產生了一種全新的自旋和谷極化的金屬態[8]，這一結果進一步拓寬了轉角體系新奇強關聯量子物態的研究范圍。 除了電學性質受層間轉角的調制，在雙層轉角石墨烯體系，由于層間堆垛能與層內晶格畸變引起的應變能的競爭，其原子結構也會隨著角度發生改變。最近，何林課題組系統研究了雙層轉角石墨烯結構隨著角度的演化，發現當轉角大于魔角時，體系可以看作兩個獨立的剛性石墨烯層發生扭轉，層內晶格畸變幾乎可以忽略（定義為非重構結構）；當轉角小于魔角時，由于莫爾條紋周期較大，層間堆垛能占主導，從而引起晶格畸變產生堆垛的疇界（domain wall）網格（定義為重構結構）。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證明非重構和重構的兩種結構在魔角附近都能穩定存在。進一步，我們發現利用STM針尖脈沖可對魔角雙層石墨烯的非重構和重構結構進行切換，從而開關其二維導電拓撲網格。同時，我們發現在強關聯效應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控[9]。相關成果近日刊發在物理學期刊《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。

該項目利用先進激光誘導石墨烯技術（Laser Induced Graphene, LIG）成功制備出無基質的大尺寸石墨烯紙，并可對其結構和性能進行精準調控，為石墨烯的廣泛應用提供了有力支撐。該方法不僅實現了石墨烯紙的連續/高效/低成本/大規模制備，還可對石墨烯紙進行多尺度/圖案化/不同結構的定制化制作，同時性能可調控的特點有效擴展了石墨烯紙的多功能應用。 目前，研發團隊在實驗室條件下已實現基于石墨烯紙的智能復合材料在自固化，全生命周期結構健康監測和功能結構層-阻燃/除冰方面的成功應用。同時基于其可調控的結構和性能，已開展其在傳感、結構功能表面、超級電容器和生物抗菌方面的應用研究。該項目在智能傳感，能源存儲等領域受到行業多家企業的關注，后續將在智能復合材料一體化成型及結構健康監測、高靈敏性可穿戴器件集成以及高性能蓄電池復合板柵材料等方面開展交流合作。? 該項目所制備的石墨烯紙應用非常廣泛，能應用在在傳感、儲能、環境等方面?！霸患す庹T導石墨烯”技術能滿足儲能領域、軍用高強度結構、民用可穿戴器件等各領域的產業化需求。

層間轉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控其結構與性質。近幾年，相關方面的研究引起了廣泛的關注。早在2012年，何林課題組就開始關注轉角對雙層石墨烯結構和電學性質的影響，測量了不同轉角雙層石墨烯的兩個范霍夫峰的峰間距能量與轉角大小的關系[1]，并預言該體系中的準粒子具有可調控的手征性[2]，研究了應變結構在該體系產生的贗磁場和贗朗道能級[3]。2015年，何林團隊發現雙層轉角石墨烯體系費米速度隨角度減小而迅速下降，證明在轉角為1.1度(第一魔轉角)附近時費米速度降為零[4]，并于2017年，在轉角接近魔轉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-電子相互作用導致的關聯絕緣體態和超導態，魔角雙層石墨烯物性研究迅速成為過去兩年凝聚態物理研究的最大熱點。 近期，何林課題組發展了一套方法，能夠可控地制備利于掃描隧道顯微鏡系統（STM）研究的雙層轉角石墨烯，并利用STM研究了小角度雙層石墨烯的性質，深入探索該體系由于電子-電子相互作用導致的平帶簡并度解除和新奇強關聯量子物態的關聯。例如，何林課題組與合作者發現當小轉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，谷極化態的劈裂能量會隨著外加磁場線性增大[6]。同樣的結果也在應變引起的平帶中觀察到了，當雙層石墨烯的轉角接近魔角時，體系中微小的應變結構可以使兩個范霍夫峰之間出現一個新的零能量平帶（贗朗道能級），何林課題組與合作者發現電子-電子相互作用會解除贗朗道能級的谷贗自旋簡并度，產生軌道磁性態[7]。這些結果表明小轉角石墨烯體系是研究二維軌道磁性態和量子反?；魻栃睦硐肫脚_。在角度大于魔角的小轉角雙層石墨烯中，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，并有可能產生完全不同于魔角雙層石墨烯的新奇強關聯量子物態。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，產生了一種全新的自旋和谷極化的金屬態[8]，這一結果進一步拓寬了轉角體系新奇強關聯量子物態的研究范圍。 除了電學性質受層間轉角的調制，在雙層轉角石墨烯體系，由于層間堆垛能與層內晶格畸變引起的應變能的競爭，其原子結構也會隨著角度發生改變。最近，何林課題組系統研究了雙層轉角石墨烯結構隨著角度的演化，發現當轉角大于魔角時，體系可以看作兩個獨立的剛性石墨烯層發生扭轉，層內晶格畸變幾乎可以忽略（定義為非重構結構）；當轉角小于魔角時，由于莫爾條紋周期較大，層間堆垛能占主導，從而引起晶格畸變產生堆垛的疇界（domain wall）網格（定義為重構結構）。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證明非重構和重構的兩種結構在魔角附近都能穩定存在。進一步，我們發現利用STM針尖脈沖可對魔角雙層石墨烯的非重構和重構結構進行切換，從而開關其二維導電拓撲網格。同時，我們發現在強關聯效應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控[9]。相關成果近日刊發在物理學期刊《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。