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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(tuán)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(shí)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(shí)現(xiàn)了聲音輸入到輸出的閉環(huán)，并可以通過示波器實(shí)時觀測喉部運(yùn)動情況。接著，通過與單片機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(tuán)隊介紹 本成果項目團(tuán)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(diǎn)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(tuán)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

本發(fā)明公開了一種燃料電池膜電極組件的層合裝置，包括：分別沿著不同輸送路徑輸送兩組復(fù)合膜層的第一和第二輸送機(jī)構(gòu)，對兩組復(fù)合膜層執(zhí)行層合處理的層合機(jī)構(gòu)，對層合后膜層執(zhí)行對齊檢測的對齊檢測機(jī)構(gòu)，以及對齊調(diào)整單元；其中第一、第二輸送機(jī)構(gòu)分別用于輸送對應(yīng)模切有多個模切框的第一、第二復(fù)合膜層；對齊檢測機(jī)構(gòu)用于對層合后膜層采集其模切框圖像；對齊調(diào)整單元根據(jù)對齊檢測機(jī)構(gòu)所獲得的模切框圖像，計算其間距值并相應(yīng)調(diào)整第二輸送機(jī)構(gòu)的輸送調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)兩組復(fù)合膜層的對齊及層合。本發(fā)明還公開了相應(yīng)的層合方法。通過本發(fā)明，可以使

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(tuán)隊發(fā)現(xiàn)雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系費(fèi)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(fèi)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(qiáng)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(diǎn)。 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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dú)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(qiáng)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(shí)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(jìn)激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)（Laser Induced Graphene, LIG）成功制備出無基質(zhì)的大尺寸石墨烯紙，并可對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，為石墨烯的廣泛應(yīng)用提供了有力支撐。該方法不僅實(shí)現(xiàn)了石墨烯紙的連續(xù)/高效/低成本/大規(guī)模制備，還可對石墨烯紙進(jìn)行多尺度/圖案化/不同結(jié)構(gòu)的定制化制作，同時性能可調(diào)控的特點(diǎn)有效擴(kuò)展了石墨烯紙的多功能應(yīng)用。 目前，研發(fā)團(tuán)隊在實(shí)驗室條件下已實(shí)現(xiàn)基于石墨烯紙的智能復(fù)合材料在自固化，全生命周期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和功能結(jié)構(gòu)層-阻燃/除冰方面的成功應(yīng)用。同時基于其可調(diào)控的結(jié)構(gòu)和性能，已開展其在傳感、結(jié)構(gòu)功能表面、超級電容器和生物抗菌方面的應(yīng)用研究。該項目在智能傳感，能源存儲等領(lǐng)域受到行業(yè)多家企業(yè)的關(guān)注，后續(xù)將在智能復(fù)合材料一體化成型及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、高靈敏性可穿戴器件集成以及高性能蓄電池復(fù)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(yīng)用非常廣泛，能應(yīng)用在在傳感、儲能、環(huán)境等方面。“原位激光誘導(dǎo)石墨烯”技術(shù)能滿足儲能領(lǐng)域、軍用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)、民用可穿戴器件等各領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化需求。

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(tuán)隊發(fā)現(xiàn)雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系費(fèi)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(fèi)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(qiáng)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(diǎn)。 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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dú)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(qiáng)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(shí)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(jìn)激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)（Laser Induced Graphene, LIG）成功制備出無基質(zhì)的大尺寸石墨烯紙，并可對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，為石墨烯的廣泛應(yīng)用提供了有力支撐。該方法不僅實(shí)現(xiàn)了石墨烯紙的連續(xù)/高效/低成本/大規(guī)模制備，還可對石墨烯紙進(jìn)行多尺度/圖案化/不同結(jié)構(gòu)的定制化制作，同時性能可調(diào)控的特點(diǎn)有效擴(kuò)展了石墨烯紙的多功能應(yīng)用。

構(gòu)建三維多孔結(jié)構(gòu) CAD 模型，并通過增材制造技術(shù)制得相應(yīng)形 狀的三維多孔金屬結(jié)構(gòu)；在惰性氣體的保護(hù)氛圍下，將所制得的三維 多孔金屬結(jié)構(gòu)升溫至 900℃～1500℃，然后冷卻至室溫；然后進(jìn)行噴 砂和超聲清洗處理以獲得金屬模板；通過化學(xué)氣相沉積法在金屬模板 上生長石墨烯薄膜；配置腐蝕液并在 60℃～90℃的溫度下回流溶解金 屬模板，經(jīng)洗滌和干燥處理后即得到三維石墨烯多孔材料產(chǎn)品。通過 本發(fā)明，能夠有效克服現(xiàn)有技術(shù)中所存

本發(fā)明公開了一種利用微波燃燒對石墨烯進(jìn)行可控造孔的方法，采用硝酸鹽、醋酸鹽或者銀單質(zhì)和氧化石墨烯作為原料，首先將原料進(jìn)行均勻包覆、冷凍、干燥處理，通過控制原料的成份、濃度和冷凍與干燥的時長，制得各種成分、各種均勻性的復(fù)合物；通過對該復(fù)合物進(jìn)行微波燃燒處理、控制微波處理時長得到不同孔徑分布的多孔石墨烯；本發(fā)明提供的這種方法在 6～45s 反應(yīng)時間內(nèi)獲得多孔石墨烯，主孔徑在 5nm～200nm 范圍內(nèi)，快速簡單的實(shí)現(xiàn)對復(fù)

本發(fā)明公開了一種石墨烯支撐的微米金核殼結(jié)構(gòu)及其制備方法；制備方法包括下述步驟：(1)獲得聚苯乙烯微球乳液，并在聚苯乙烯微球乳液中加入改性溶液后進(jìn)行攪拌，獲得表面改性的聚苯乙烯微球乳液；(2)獲得微球金種子的凝膠溶液；(3)獲得表面有金殼層的聚苯乙烯微球的凝膠溶液；(4)將所述表面有金殼層的聚苯乙烯微球的凝膠溶液進(jìn)行烘干后獲得粉末狀的樣品；通過將樣品在四氫呋喃溶液中浸泡使其在金殼層內(nèi)壁生長出石墨烯多層并除去聚苯乙烯微球，再進(jìn)行烘干后獲得石墨烯支撐的微米金核殼結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中改進(jìn)的單分散法制備的聚苯乙烯微

本發(fā)明公開了一種同時制備石墨烯和多孔非晶碳薄膜的方法，包括 S1 對金屬鎳片襯底進(jìn)行超聲清洗，并烘干后放置于管式爐中；S2向管式爐中通入惰性氣體；S3 對管式爐進(jìn)行升溫處理使其達(dá)到750℃～1000℃并保持 10 分鐘～50 分鐘，向管式爐中通入氫氣，并對金屬鎳片襯底進(jìn)行熱處理；S4 向管式爐中通入流量為 20sccm～100sccm 的碳?xì)浠衔铮沟媒?jīng)過熱處理后的金屬鎳片襯底催化碳?xì)浠衔锪呀庖约版嚻芴己笸瑫r生長石墨烯和非晶碳薄膜；S5 對管式爐進(jìn)行降溫處理，并將生長有石墨烯和非晶碳薄膜的鎳片