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2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-诺奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授近期部分工作精选

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-诺奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授近期部分工作精选

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-诺奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授近期部分工作精选

康斯坦丁·诺沃肖洛夫,新加坡国立大学教授、博士生导师,主要研究方向为凝聚态物理;介观传输、超导和铁磁性;纳米材料及制备;石墨烯及其它二维晶体等。2004年,诺沃肖洛夫教授于曼彻斯特大学因分离石墨烯的研究而享负盛名,发表逾300篇学术论文。2010年,因石墨烯方面的成就获得诺贝尔物理学奖,是自1973年以来最年轻的物理学奖得主。目前诺沃肖洛夫院士单篇最高引用率高达53411次(2004年Science),成为石墨烯领域引用最多的文献,同时也是物理领域近来被引用最多的文献。

我们选取康斯坦丁·诺沃肖洛夫院士2016年以来的部分代表性工作,其中包括范德华异质结半导体器件、生物水渗透调控、磁性材料、柔性电子器件、超导等方向,希望对大家有一定启发。

1、Nature:范德华异质结构莫尔超晶格中的共振杂化激子

二维材料的原子薄层可以组装成垂直叠堆,这些叠堆通过相对较弱的范德华力保持在一起,从而可以使具有不相称晶格的单层晶体之间耦合,并且可以任意旋转。因此,在组成晶体结构的局部原子配准中出现了总体周期性,这被称为莫尔超晶格。在石墨烯/六方氮化硼结构中,出现的莫尔超晶格使得科研人员观察到了电子微带,而在扭曲的石墨烯双分子层中,其效应因层间共振条件而加强,导致了魔角位置的超导体-绝缘体转变。康斯坦丁·诺沃肖洛夫院士团队利用非共格的单层MoSe2/WS2半导体异质结,证明了激子带可杂化,进而导致莫尔超晶格效应的共振加强。他们选择MoSe2和WS2是因为它们导带边缘的近简并性,从而可以促进层内和层间激子的杂化。研究中,杂化通过显著的激子能移使层间转角的周期性函数这一现象显示出来,而激子能移的周期性是因为:杂化激子是由MoSe2中空穴产生的,且MoSe2与相邻单层中扭转依赖的电子态叠加存在相互作用。对于单层结构近乎共格的异质结,电子态的共振混合使得异质结的几何莫尔条纹对杂化激子的色散谱和光谱具有明显影响。该研究丰富了基于范德华异质结半导体器件中使用能带工程的策略。

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-诺奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授近期部分工作精选

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:电流可调控氧化石墨烯中的水渗透

理解并调控水分子在膜或毛细管中的传输行为对于当前的水处理和医疗保健工业具有重要意义。在过去的工作中,研究者着重于利用外加刺激,例如pH值、温度或离子强度等改变膜的状态实现水渗透的调节。利用电的方法来进行调控是一种很吸引人的替代手段,然而理论和模拟对于电调控的效果经常得到相矛盾的结果。康斯坦丁·诺沃肖洛夫院士及R. R. Nair教授等团队制备了一种基于氧化石墨烯的微米级薄膜器件来进行电调控。之前的研究已经表明氧化石墨烯薄膜具有超快水渗透和分子筛功能,具有工业规模生产的潜力。为了实现对水渗透的电气控制,研究者利用电击穿的方法,在金和银之间施加电压从而在氧化石墨烯膜中嵌入导电微丝。在外加电压下,电流流经导电微丝,微丝中的电流产生巨大电场并离子化薄膜中的水分子。这些离子化的水分子与氧化石墨烯有很强的相互作用;另一方面,离子化生成的H3O+和OH离子会促进大的水合团簇生成,这两方面的作用极大地阻碍了水在氧化石墨烯中的移动,从而实现了加电流后对水渗透的阻止。该工作为开发用于人工生物系统,组织工程和过滤的智能膜技术开辟了道路。

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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综述:磁性二维材料与异质结构

二维(2D)材料家族日趋发展,极大地扩展了二维中的探索范围,以及可能产生的范德华(vdW)异质结构的范围。2D材料涵盖了广泛的属性,但是这个家族一直缺少一个重要的成员:2D磁铁。随着各种原子级薄磁晶体的引入,人们逐渐探索发现2D材料的铁磁性。康斯坦丁·诺沃肖洛夫院士及其合作者讨论了2D材料和块状晶体中磁性状态之间的差异,并概述最近已经探索过的2D磁体,重点关注两种研究最多的材料-半导体CrI3和金属Fe3GeTe2-并介绍了已观察到的物理现象;特别关注了新型vdW异质结构的范围,这种异质结构随着2D磁体的出现而变得可能,为这个快速发展的领域提供了新的视角。

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-诺奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授近期部分工作精选

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: 用于无线连接和物联网应用的高导电性多层石墨烯油墨

印刷电子产品为信息技术在日常生活中的渗透提供了突破。印刷电子电路的可能性将进一步促进物联网应用的普及。基于石墨烯的油墨有望主宰这项技术,由于其成本低,可直接应用于纺织品和纸张等材料。康斯坦丁·诺沃肖洛夫院士及其合作者报告了适用于丝网印刷技术的石墨烯油墨生产途径。他们使用无毒溶剂二氢乙烯基葡萄糖酮(Cyrene)显著加快并降低了石墨液相剥离的成本。使用该墨水打印方法可以获得高电导率(7.13×104 S m-1)的器件,也可以生产从MHz到数十GHz的无线连接天线,以用于无线数据通信和能量收集,该方法有望将印刷石墨烯技术大范围推广。

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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::弹道石墨烯中临界电流的量子振荡和高场超导

基于石墨烯的约瑟夫逊结为研究石墨烯独特的电子光谱以及通过栅极电压调整结性质而引起的邻近效应提供了一种新的研究平台。基于此,康斯坦丁·诺沃肖洛夫院士及其合作者制备了具有几微米的平均自由程,低接触电阻和超大电流的石墨烯结。该器件在常态电阻和临界电流中都表现出明显的Fabry-Pérot振荡。在低于10 mT的磁场中,邻近效应大部分被抑制,显示出传统的夫琅荷费衍射图。而在高于1 T的磁场中,也存在一些邻近效应。超导状态随磁场和载流子浓度的变化而随机的出现和消失,并且每个超导态都显示出接近于通用量子极限的超电流承载能力。他们将高场约瑟夫森效应归因于在石墨烯边缘附近持续存在的介观安德列夫状态。该工作揭示了可以通过量子限制和回旋加速运动控制新的邻近机制。

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-诺奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授近期部分工作精选

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扩展和超快纱线染色的可穿戴纺织品传感器

多功能可穿戴电子纺织品因其在医疗保健、运动服、健身、太空和军事应用中的巨大潜力而备受关注。其中,导电纺织纱线在不损害常规纺织品的性能和舒适性的前提下,有望用作下一代柔性传感器。然而,当前的金属基导电纺织纱线的制造工艺昂贵,不可缩放且对环境不利。基于此,康斯坦丁·诺沃肖洛夫院士课题组报告了基于石墨烯的柔性、可清洗和可弯曲的可穿戴纺织品传感器。他们通过设计石墨烯薄片及其分散体为可穿戴纺织品应用选择最佳配方。随后,利用高速纱线染色技术,采用石墨烯基油墨对纺织纱线进行染色(涂覆)。然后,将此类基于石墨烯的纱线作为柔性传感器集成到针织结构中,该设计可通过自供电的RFID或低功耗的蓝牙将数据无线发送到监控设备。由此制得的石墨烯织物传感器显示出优异的温度敏感性,良好的可洗性和极高的柔韧性。该方法将有利于扩大可穿戴电子设备的应用规模。

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-诺奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授近期部分工作精选

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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