石墨烯涤纶学位论文

2018年，年仅22岁的中国天才少年——曹原，登上了全球顶级科学杂志《自然》（Nature）当年影响世界的十大科学人物，而且位于第一位。两年后的现在，曹原又携两篇一作Nature强势归来。

那么，曹原到底是何许人也？他在科学界做出了什么突出贡献呢？

曹原的“开挂”人生很早就开始了，他年仅14岁就进入了中国科学技术大学少年班，19岁开始攻读世界顶级学府麻省理工学院（MIT）的博士学位。曹原从中学时代就对超导现象产生了浓厚的兴趣，读了博士之后，他废寝忘食地在实验室中钻研超导材料，他以石墨烯作为切入点。

石墨烯是近年来研究非常热门的一种材料，目前已被广泛应用于各种领域。石墨烯的结构十分特别，它是由碳原子排列成蜂巢晶格的二维结构，其厚度为一个碳原子，碳原子之间通过共价键紧密结合在一起。

石墨烯的特殊结构使其表现出很多优异的性能，其结构稳定、强度非常高、导热性能好、电阻率极低。考虑到石墨烯的优异导电性能，这种材料被用于超导研究，这也是曹原的研究方向。

曹原通过研究发现，如果偏转两层石墨烯的方向，使其夹角变为度，那么，在开氏度（零下摄氏度）的情况下，石墨烯将会表现出超导特性，这个奇特的旋转角度被称为“魔角”。

看到魔角石墨烯变成超导的温度，大家可能会犯嘀咕了，这个超导温度比绝对零度还高不到2度，远远低于室温，在现实中并没有使用价值。要知道，一些超导材料的超导温度远高于这种石墨烯，最高的已经达到零下23摄氏度。那么，魔角石墨烯又有什么意义呢？

事实上，这种超导石墨烯的意义十分重大，其成果是开创性的，这可能是人类破解超导原理所迈出的重大一步。此前，超导材料的研制都是基于掺杂原理，而魔角石墨烯只是通过简单的角度旋转就能产生超导现象，意味着超导的根本原理或许没有那么复杂。

这让物理学家感到非常兴奋，一个全新的高温超导研究方向就此开启。如果基于此能够最终揭开超导之谜，研制出常温超导材料，这个世界将会发生翻天覆地的变化。

正因为意义重大，曹原的研究很快就发表在《自然》（Nature）杂志上，一口气发了两篇。此后，曹原又继续研究魔角石墨烯，以期进一步揭开超导原理。

经过两年的潜心研究，曹原更加深入地探究了石墨烯的魔角，相关结果又发了两篇Nature论文。也就是说，目前的曹原已经有四篇Nature在手。

对于做科学研究的人而言，Nature和Science杂志无疑是最为顶级的杂志，很多人终其一生都发不了一篇。而曹原今年才24岁，就已经发了四篇。按照这个趋势下去，不要说中科院院士的位置已经预定，有可能就连诺贝尔物理学奖都在向他招手。

比你聪明的人还比你更努力，这也许是“最可怕”的事情，曹原无疑应该成为年轻一代的榜样。

首先曹原智商非常高，这是他小小年纪考上重点大学的原因，其次，他很有想法，对事物有自己创新的独特的见解。

如今他为中国做出了巨大的贡献，而且通过自己的努力将事业发展的非常好，现在也过得非常的幸福。

自古英雄出少年，而我们今天要讲的这位少年，他14岁就进入了中科院，在破解了世界都感觉到为难的题目之后，他拒绝了美国的好意，决定回国报效国家，觉得国家才是他的归宿，那么让我们来了解了解他到底是谁吧。

我们今天这个主人公的名字叫做曹原，很多人都从报纸上了解过，他都说他是天才少年，而在2020年的五月，自然就连续刊登了这位少年的两篇论文，在论文里面我们可以看到这位少年的智商和眼光到底是到了什么样一个地步，这两个论文都是关于石墨烯研究的论文，在石墨烯研究的论文里面，除了之前一些哥伦比亚的学者发表过文章之后，石墨烯的研究已经搁置了，因为他们发现这段研究太过于困难，所以没有什么人在这个领域获得比较高的成就。

而我们的英雄少年在发现石墨烯一些东西之后就立马的疯狂了，他陷入了石墨烯的研究范围，并且痴心于这个石墨烯研究，在2020年的时候发表了两篇论文，一经发出引起了许多人的关注，这可是石墨烯呀，所有人都要抢夺的资源，在这位英雄少年的论文里面，很多观点都突破了原来固有的观念而形成了新的观念，在这些观念中给其他科学家造成了一定的冲击，也给石墨烯的研究造成了冲击，在100年之后没有想到人有人会对石墨烯研究的这么透彻。

许多人都想去了解这个英雄少年到底是经历了什么能够在自然连续发表两篇论文，我们了解到在自然的报纸刊登中，里面的论文都是举足轻重的，自然的一篇论文在当时可谓是黄金万两。

但是在自然中，我们的这位英雄少年却不只是在2020年发表了这篇论文，在2018年的三月份而这位英雄少年也是连续发表了两篇论文。因为内容太过震惊，而论文的观点也是突破了固有的观念，在当时自然都来不及排版就将他的论文发表出去，这两篇论文也激发了科学家的一阵震动。就是因为这两篇论文的诞生，而一个新兴的领域就诞生了，这个新兴的领域是由我们的英雄少年所开创的。

超导体被发现之后石墨烯已经沉寂了太久了，而这两篇的论文发表让一些挠破了头研究石墨烯的科学家展开了笑颜。在九六年出生的这个英雄少年叫做曹原，他来自于美丽的四川成都，而因为自己父母工作的关系，他跟随自己的父母到达了深圳，在深圳的耀华实验学校，他经受住了一些超前教育，而这些超前教育让他就自己的兴趣而了解到了更深的领域，因为自己学校和父母的支持，他小小年纪就开始捣鼓电子器具，而在电子器具发生一些改变之后他就更喜欢了。

头一次在做这些东西的时候，学校和父母都给了他很大的支持，甚至他将妈妈的金银手镯拿去提炼他所需要的物质，妈妈也是没有责怪他一句，甚至在家里面都给他办起来实验室。在学校和父母的帮助下，他学习到了很多东西，最后以699分的高分在14岁的时候就进入了少年班。

这个少年班是由中国科学技术大学开办的严济慈物理英才班，里面都是由天才组成的，在2014年的时候，他在中科大本科生大放异彩，获得了最高的荣誉后进入了麻省理工学院。再后来他发表两篇论文之后，麻省理工和美国都想留住这位英雄少年，并且想让这名少年留下来为美国做事情，但是这位少年心系国家，在美国的诱惑下他不曾所动，他只说我要回家的，我要回家报效祖国的。

扭转双层石墨烯可视作两层石墨烯以一定的扭转角度堆叠而成，其表面会形成随扭转角度变化的摩尔周期势，其能带结构也受扭转角度的调制。例如，两层石墨烯的能带耦合会导致态密度上范•霍夫奇点的出现，从而赋予其角度依赖的光电特性；非公度扭转角的石墨烯则具有极小的摩擦力；而魔角（~ ）扭转石墨烯则具有一系列新奇的量子效应，引发了人们极大的研究兴趣，催生了新的研究领域——扭转电子学（Twistronics）。目前，实验室的扭转双层石墨烯通常是通过人工堆叠的方法制备。如何通过生长的方法直接制备具有各种扭转角度的双层石墨烯是该领域需要解决的重要问题。

基于金属衬底的化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition, CVD)法被认为是生长高品质石墨烯最有前景的方法，然而，由于AB堆垛具有更高的能量稳定性，CVD高温生长的双层石墨烯更趋向于形成AB堆垛而非扭转双层石墨烯。因此，打破AB堆垛石墨烯在能量上的优势，在高温下实现层间扭转成为一项重要挑战。

近日， 北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士团队 及其合作者提出了“异位成核”(Hetero-site nucleation)的生长策略，通过在生长过程中引入气流扰动控制第二层石墨烯的成核位点，使两层石墨烯的晶格取向分别受到不同区域衬底的诱导，从而得到大比例的扭转双层石墨烯（图1）。

图1. 异位成核法生长策略及生长结果

一般情况下，铜表面石墨烯的生长遵从“自限制”生长模型，而当氢气分压较大时，石墨烯的边缘会从金属钝化变为氢饱和终止，导致边缘与金属的相互作用变弱，并阻碍单层石墨烯的生长，因此活性碳物种可“钻”入第一层石墨烯和铜之间进行第二层的生长。而第二层石墨烯与衬底的相互作用强于石墨烯层间的相互作用，这一特点为层间扭转提供了可能。但仅仅依靠衬底的作用还不足以形成扭转，因为石墨烯的晶格取向在成核初期即被决定，如果两层石墨烯在同一位点成核，则相同的成核环境会使两层石墨烯晶格取向一致，形成AB堆垛石墨烯。

研究人员发现，当两层石墨烯的成核位点不同时，由于衬底的台阶、扭结、位错或颗粒等微观环境的不同，层间扭转的概率会显著增加。为实现第二层石墨烯的可控成核和生长，研究人员采用了扰动生长的策略，即在CVD生长过程中改变氢气和甲烷的分压，调控石墨烯边缘的终止态和附近的局域碳物种浓度。这一方法得到了12C/13C同位素标记生长实验的验证：分别在第5 min、10 min引入“扰动”，第二层的成核时间恰好对应于5 min和10 min，第二层的成核位点也恰好在12C/13C 的交接处，所得到的石墨烯为~30 -tBLG和~9 -tBLG（图2）。同时，不采用扰动的结果则表现为AB堆垛双层石墨烯，这证明了该方法的有效性。

图2. 同位素标记实验结果

研究者还总结了“扰动——异位成核”方法的关键参数，通过控制两步生长法的氢气、碳源比例（图3），实现了高扭转比例（88%）的tBLG。高分辨透射电镜的表征显示出清晰的摩尔条纹（图4）；电学输运测量表明其具有超高的室温载流子迁移率（68,000 cm2V 1s 1）（图5）；角分辨光电子能谱测量显示出清晰的线性能带结构和范·霍夫奇点。这些均证明了通过该方法得到的tBLG具有超高的品质。

图3. 异位成核法生长参数

图4. TEM表征结果

图5. 迁移率测试结果

作者提出了异位成核（Hetero-site nucleation）的策略，通过引入气流扰动控制第二层石墨烯的成核，使两层石墨烯的晶格取向分别受到不同区域衬底的诱导，从而打破了AB堆垛能量最低的限制，实现了大比例的扭转双层石墨烯的制备。该方法为扭转石墨烯及二维材料的制备提供了新的思路，为近年来新兴的扭转电子学研究奠定了材料基础。

相关研究成果以“ Hetero-site nucleation for growing twisted bilayer graphene with a wide range of twist angles ”为题发表在 Nature Communications 杂志上。北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士、彭海琳教授，新加坡国立大学博士后林立，中国科学技术大学黄生洪副教授为本文通讯作者，北京石墨烯研究院孙禄钊博士、曼彻斯特大学王子豪博士、北京大学博士生王悦晨为第一作者，合作者还包括曼彻斯特大学Kostya S. Novoselov教授、苏州大学Mark H. Rummeli教授、中国科学技术大学李震宇教授和牛津大学陈宇林教授等。该论文涉及到的研究工作得到了北京大学化学与分子工程学院、北京分子科学国家研究中心、 科技 部、国家自然科学基金委和北京市科委的资助。

论文链接：

石墨烯具有非常好的热传导性能，这一性能可以在哪些领域得到很好的运用？

近年来，石墨烯作为一种新型的碳材料，因其众多独特的优良性能，引起了人们的广泛关注和极大兴趣。据了解，石墨烯具有非常好的导热性能，电热转换率高达99%，能有效减少热量损失，加速热对流，带来极佳的采暖效果和舒适体验。

作为行业的龙头企业，近程加热鑫科与中科院石墨烯研究中心、浙江大学技术学院、SGS检测实验室等多家国内外权威机构合作，借助中科院在石墨烯领域的平台优势和技术、人才优势，鑫科掌握了领先的核心温控技术和新型加热材料应用技术，确立了在近体加热行业的领先地位。

据了解，中科院宁波材料所基于其在石墨烯材料领域的研究，于2016年成立了宁波石墨烯创新中心。2018年，中科院启动了首批工程实验室的建设，并批准依托中科院宁波材料所与中科院10个研究所联合建设GRAPHENE工程实验室。该工程实验室汇集了中科院在石墨烯技术领域的创新资源，具有国际领先水平，成为支撑国家石墨烯创新中心建设的重要技术创新平台。石墨烯是已知的最具导电性的材料，这一特性特别适合于高频电路。因此，石墨烯被认为是硅的替代品，可以制造超细的晶体管，用于生产未来的超级计算机。据称，由石墨烯制成的计算机处理器的运行速度将提高数百倍，并且消耗的能源更少。

今年早些时候，中国科学院上海微系统与信息技术研究所在石墨烯研究方面取得了新进展。世界上首次报道了利用铜蒸气辅助的Cu-ni合金超高速生长英寸石墨烯单晶。该论文于2月24日发表在《自然-材料》上，研究论文于2月24日在线发表在小。