Die fünf weltweit führenden Graphen-Forschungszentren und Chinas führende Graphen-Forschungseinrichtungen

Als erstes zweidimensionales Material, das entdeckt wurde, hat Graphen seit seiner Einführung im Jahr 2004 schnell weltweite Aufmerksamkeit und Forschungsinteresse auf sich gezogen. Obwohl 15 Jahre vergangen sind, ist die Forschung an Graphen und verwandten zweidimensionalen Materialien immer noch heiß und es werden ständig neue Forschungsfelder entwickelt. Vor dem Hintergrund der aktuellen neuen Runde industrieller Modernisierung und technologischer Revolution wird die Industrie für neue Materialien sicherlich zum Eckpfeiler und Anführer der zukünftigen Entwicklung von High-Tech-Industrien werden und einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung von haben die Weltwirtschaft, Technologie, Umwelt und andere Bereiche. China ist ein Land mit großen Graphitressourcen und eines der aktivsten Länder in der Graphenforschung und -anwendungsentwicklung.

Als neues kohlenstoffbasiertes Material verfügt Graphen über gute optische, elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften. Es verfügt über breite Anwendungsaussichten in den Bereichen elektronische Information, neue Materialien, neue Energie und Biomedizin. Es entwickelt sich zu einer globalen neuen Technologie und einer neuen industriellen Revolution. Fokus.Derzeit haben mehr als 80 Länder auf der ganzen Welt in die Forschung und Entwicklung von Graphenmaterialien investiert, und die Vereinigten Staaten, Großbritannien, Südkorea, Japan und Europa haben die Graphenforschung sogar auf eine nationale strategische Ebene gehoben.In diesem Artikel werden die fünf weltweit führenden Graphenforschungszentren im aktuellen Forschungsbereich und die führenden Graphenforschungseinrichtungen in China vorgestellt.

1. Manchester National Graphene Institute

Graphen wurde an der Universität Manchester erfunden. Im Jahr 2010 gewannen die Physiker Andre Heim und Konstantin Novoselov von der Universität Manchester den Nobelpreis für Physik für ihre Leistungen in der Graphenforschung. Als Geburtsland von Graphen hat das Vereinigte Königreich die unendlichen Entwicklungsaussichten von Graphen, einem Supermaterial, gesehen. Mit dem Ziel einer neuen Runde der industriellen Revolution beschloss die britische Regierung 2011, das National Graphene Institute (NGI) an der Universität Manchester zu errichten. Im März 2015 wurde NGI, das 61 Millionen Pfund kostete, offiziell gegründet.

NGI ist die aktuelle Quelle der Graphen-bezogenen Forschung in Großbritannien und sogar weltweit. Die Kernaufgabe von NGI besteht darin, kontinuierlich die Grenzgebiete der zweidimensionalen (2D) Materialwissenschaft und -anwendung zu erforschen und dabei die Industrialisierung und Kommerzialisierung von Graphen und zweidimensionalen Materialien zu berücksichtigen. Mit NGI als Zentrum übernehmen und entwickeln das Graphene Engineering Innovation Centre (GEIC) und das Henry Royce Research Institute NGI-Forschungsergebnisse und erforschen ständig neue Modelle der kommerziellen Anwendung von 2D Materialien.Zusammenarbeit ist der Schlüssel zum National Graphene Institute.Mehr als 80 Unternehmen haben mit der Universität Manchester zusammengearbeitet, um an Graphenanwendungen zu arbeiten.

Im Jahr 2019 hat NGI insgesamt fast 60 Artikel veröffentlicht, darunter 5 Artikel in regulären NS-Zeitschriften, 3 Artikel in Dazi-Zeitschriften und etwa 19 Artikel in Top-Zeitschriften wie Nature Communication und ACS Series. Statistiken zeigen, dass sich fast die Hälfte der neuen Top-Zeitschriften von NGI mit 2D-Material-Heteroübergängen befassen und hauptsächlich über neuartige oder anomale elektronische Flüssigkeiten und optoelektronische Phänomene in 2D-Materialien in Heterostrukturen berichten zur Grundlagenphysik.

2. Cambridge Graphene Research Center

Das Cambridge Graphene Centre (CGC) ist wie Manchester NGI Teil der UK Graphene Collaborative Innovation Group. CGC ist als technisches Innovationszentrum positioniert. Seine Hauptaufgabe besteht darin, eine Brücke zwischen Wissenschaft und Industrie zu schlagen, die Industrialisierung von Graphen und 2D-Materialien voranzutreiben und die Vermarktung angewandter wissenschaftlicher Forschungsergebnisse zu fördern, wobei der Schwerpunkt auf Anwendungen im Zusammenhang mit 2D-Materialien liegt.

Der Hauptzweck der Investition in CGC besteht darin, die Lücken in zwei Aspekten zu schließen: (1) Für die industrielle Produktion die Erforschung des Prozessausrüstungssystems im Pilotmaßstab sowie das Testen und Optimieren der Tintenstrahldrucktechnologie auf Basis von Graphen, Nanomaterialien und anderen neuen 2D-Materialien; (2) Angesichts der Anforderungen an die Energiespeicherung wie Selbstversorgung und drahtlose Verbindung erfolgt die Forschung an intelligenten integrierten Geräten auf der Grundlage transparenter und flexibler Basen. Die Verwendung von Graphen und anderen verwandten Materialien zur Ermöglichung neuer flexibler, energieeffizienter elektronischer und optoelektronischer Geräte ist die zentrale Herausforderung der oben genannten Arbeit.

Um die oben genannten Schwierigkeiten schrittweise zu überwinden, hat CGC 2D-Materialforschung aus vier allgemeinen Richtungen eingesetzt: (1) Materialwachstum, -übertragung und -druck; (2) Energieanwendungen; (3) Geräteverbindung; (4) Sensoranwendungen.

Im Jahr 2019 schlug Dr. Colm Durkan vom Nanoscience Centre der Universität Cambridge in der Zeitschrift Adv. eine einfache und effektive Lösung zur Entfernung von PMMA-Rückständen auf Graphenoberflächen vor. Mater.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Herstellung von Graphen-Geräten.a) CVD-gewachsenes Graphen, schleuderbeschichtet mit massivem PMMA als Trägerschicht auf Cu-Folie.b) Nach der Übertragung auf ein Siliziumsubstrat und dem Entfernen des massiven PMMA blieb eine Graphenoberfläche zurück, jedoch mit einigen Polymerrückständen.c) Nach der Resistentwicklung nach der Elektronenstrahllithographie für strukturierte Graphen-Metall-Kontakte verbleiben weitere PMMA-Rückstände auf der Graphenoberfläche.d) Diese Rückstände werden dann zwischen dem Graphen eingeschlossen und Metallelektroden nach der Metallisierung.e,f) Nach den beiden Schritten (b) und (c) kann die Behandlung der Proben in ionischer Lösung, wie in dieser Arbeit vorgeschlagen, die Rückstände auf der Graphenoberfläche effektiv entfernen.

Um die Beobachtungen zu verstehen, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass PMMA ebenso wie Graphen hydrophob ist. Daher haftet PMMA stark an der Graphenoberfläche. PMMA hat ein Kohlenstoffgerüst mit Esterseitenketten. Wenn es einem niedrigen pH-Wert ausgesetzt wird (wie es bei HCl der Fall ist), können Ester hydrolysieren, um Alkohole (die sich in Lösung verteilen) und Fettsäuren zu ergeben, die am Grundgerüst haften bleiben. Diese saure Form von PMMA ist hydrophil und hat daher i) schwächere Wechselwirkungen mit dem darunter liegenden Graphen und ii) eine stärkere Wechselwirkung mit Wasser. Die Kombination der beiden führt zu einer langsamen Auflösung von PMMA. Was die Wirkung von NaCl betrifft, können verschiedene Reaktionen auftreten, einschließlich der Chlorierung der Methylseitengruppen von PMMA, um Methylchlorid zu erzeugen, das ebenfalls hoch polar und daher wasserlöslich ist.

3. Spanisches Institut für Optoelektronik

Das Institute of Photonic Science (ICFO) ist ein erstklassiges Forschungszentrum mit Schwerpunkt auf optoelektronischer Forschung. Es rekrutiert Spitzenwissenschaftler aus der Grundlagen- und angewandten Forschung im Bereich Optoelektronik aus der ganzen Welt. Förderung der Anwendung fortschrittlicher optoelektronischer Technologie. Angesichts der neuartigen optoelektronischen Eigenschaften und der schnellen Entwicklung von Graphen und 2D-Materialien parallel zur Quanten- und Nanobiologie eröffnet das ICFO unabhängig ein neues Feld der Graphen- und 2D-Materialforschung in der Hoffnung, 2D-Materialien als Ersatz für traditionelle optoelektronische Materialien zu verwenden und die aktuellen Probleme im Bereich der Optoelektronik zu lösen. Schwierigkeiten und Herausforderungen. Es werden sowohl Grundlagenforschung als auch neue Anwendungsforschung durchgeführt. ICFO hat vier große Explorations- und Forschungsrichtungen in der Grundlagenforschung und neuen Anwendungen etabliert.

Im Jahr 2017 produzierte das spanische Institut für Photonische Wissenschaften erstmals einen hochauflösenden Graphen-Quantenpunkt-CMOS-Bildsensor. Im Jahr 2019 haben die oben genannten Forschungsgruppen insgesamt 15 Artikel veröffentlicht, darunter fast 6 Artikel in den Top-Journalen der Nature-, PRL- und ACS-Reihe. Die aktuellen Themen der Arbeiten liegen hauptsächlich in den Bereichen nanoelektromechanische Oszillatoren aus zweidimensionalen Materialien, Graphen mit magischem Winkel und Graphen-Optoelektronik.,

Im Energiebereich zielt ICFO darauf ab, mögliche Anwendungsmöglichkeiten für Graphen in halbtransparenten Photovoltaikgeräten zu erkunden und Geräte für erneuerbare Energien durch den Einsatz neuartiger Funktionsmaterialien und Nanostrukturen zu entwickeln.

Im Hinblick auf hochpräzise Sensorik konzentriert sich die Forschung des ICFO auf hochauflösende Massenspektrometer und optomechanische Systeme auf Basis nanoelektromechanischer Graphen-Oszillatoren sowie auf die parallele Entwicklung graphenbasierter Mittelinfrarot-Detektoren, Gasdetektoren und biochemischer Anwendungen für DNA-, Protein- usw. Sensoren.

Im Hinblick auf die Photonik von Oberflächenplasmonen untersucht er hauptsächlich die elektrische Regulierung und Detektion von Graphenplasmonen sowie die optische Modulation auf Basis von Graphenplasmonen.

In der Grundlagenoptik beschäftigt er sich hauptsächlich mit Nanoquantenoptik, künstlichem Graphen, ultraschneller Optik und nichtlinearer Graphenoptik.

Im Hinblick auf Bildgebungssystemanwendungen erforscht das ICFO hauptsächlich Bildsensoren auf Basis der CMOS-Technologie, die tiefes ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht abdecken können.

Im Hinblick auf tragbare Anwendungen liegt der Schwerpunkt der Forschung auf flexiblen und transparenten Gesundheitserkennungssystemen, die mehrere Gesundheitsparameter wie den Blutsauerstoff effektiv erkennen können.

Im Hinblick auf Fotodetektoren konzentriert sich die Forschung hauptsächlich auf Ultrabreitbanddetektoren, die auf Breitbandabsorption basieren, sowie auf integrierte Detektoren, die Graphen, Quantenpunkte und andere 2D-Materialien kombinieren.

Im Hinblick auf flexible Sensoren untersucht er hauptsächlich flexible Sensoren, die durch Graphen und andere 2D-Materialien ermöglicht werden, darunter optische Sensoren, RFID, biochemische Sensoren, Gassensoren, flexible Bildschirme und antibakterielle, supergeschmierte Oberflächen usw.

4. Advanced 2D Materials Research Center, National University of Singapore

Im Jahr 2010 kündigte die National University of Singapore (NUS) die Einrichtung eines neuen Forschungszentrums an, das sich hauptsächlich auf zweidimensionale Materialien (wie Graphen) konzentrieren wird. Das sogenannte „2D Materials Centre“ (2MC) wird in den nächsten 10 Jahren 40 Millionen US-Dollar an Fördermitteln von der National Research Foundation erhalten.

Ähnlich wie Manchester NGI und Cambridge CGC ist das NUS Centre for Advanced 2D Materials (CA2DM) an der National University of Singapore ein neues Forschungszentrum, das mithilfe der Welle der 2D-Materialentwicklung eingerichtet wurde. , Charakterisierung, theoretische Modellierung und Anwendungen usw., um die revolutionären Technologien, die 2D-Materialien mit sich bringen, zu erforschen und weiterzuverfolgen.

Daher ist CA2DM in vier große Forschungsgruppen unterteilt: (1) Graphengruppe; (2) andere 2D-Materialgruppe; (3) 2D-Gerätekombination; (4) theoretische Gruppe. CA2DM ist derzeit das größte umfassende Forschungszentrum für 2D-Materialien in Singapur und steht in asiatischen Ländern an der Spitze der wissenschaftlichen Grundlagenforschung und industriellen Anwendungen auf der Grundlage von 2D-Materialien.

Im Jahr 2019 hat CA2DM insgesamt 96 Artikel veröffentlicht, 1 in der Hauptzeitschrift von Nature, fast 40 in Top-Zeitschriften wie NS-Unterzeitschriften, Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy und ACS-Reihen, die fast alle oben genannten Forschungsrichtungen abdecken.

5. Samsung Institute of Technology, Südkorea

Die Entwicklung der koreanischen Graphenindustrie ist eng mit Produktion, Bildung und Forschung verknüpft, und die Entwicklung in der Grundlagenforschung und Industrialisierung ist relativ ausgeglichen. Insbesondere auf der Ebene von Industrieunternehmen hat SAIT viele Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen, um sicherzustellen, dass Graphen in flexiblen Displays, Touchscreens und Chips verwendet werden kann. internationale Führung auf diesem Gebiet.

Das südkoreanische Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) ist dem Explorations- und Entwicklungsgeschäftscluster der Samsung-Gruppe angegliedert. Erforschung führender oder origineller Technologien für neue Märkte; (2) Förderung der technologischen Integration und Innovation; (3) Förderung der Entwicklung der Nanotechnologie; (4) Erforschung disruptiver Technologien.

Graphen hat großes Potenzial, in den nächsten 10 Jahren mehrere Industriezweige zu verbessern und zu verändern, und es wird auch erwartet, dass es eine große Anzahl neuer Arbeitsplätze in Europa und weltweit schaffen wird. Daher ist es sehr wichtig zu untersuchen, in welchen spezifischen Industriebereichen Graphen aus technischer Sicht wichtiger ist.

Eine der führenden Graphen-Forschungseinrichtungen in China – Beijing Graphene Research Institute

Das Beijing Graphene Research Institute (BGI) ist ein Joint Venture, das 2016 von der Universität Peking, der China National Building Materials Group, der China Baoan Group und anderen branchenführenden Unternehmen mit Unterstützung der Stadtregierung von Peking gegründet wurde und sich auf die Kerntechnologieforschung und -entwicklung der Graphenindustrie sowie eine High-End-Forschungs- und Entwicklungsagentur konzentriert. Gleichzeitig wurde BGI Technology Co., Ltd. als Träger der Leistungstransformation und Industrialisierungsförderung des Beijing Graphene Research Institute gegründet. Der erste Dekan ist der international renommierte Experte für Nanokohlenstoffmaterialien, Als Ehrendekan sind der Akademiker Liu Zhongfan von der Universität Peking und der Nobelpreisträger Professor Konstantin Novoselov von der Universität Manchester eingeladen.

Das Beijing Graphene Research Institute verbindet industrielle Entwicklung und große nationale Bedürfnisse, legt die Kernschlüsseltechnologien der Graphenindustrie dar, implementiert ein neues Servicemodell für High-End-F&E und Gießerei, kultiviert eine Reihe von Graphen-Killer-Anwendungen und gründet eine Gruppe von Graphen-High-Tech-Unternehmensgruppen, um Hunderte Milliarden Graphen-Industriecluster zu kultivieren und die Kernwettbewerbsfähigkeit der Graphenindustrie meines Landes aufzubauen.

Es ist die Quelle der Kerntechnologie, die die Graphenindustrie anführt, des Innovationsmechanismus der High-Tech-Industrie und des Demonstrationsbereichs für Innovationskultur, des globalen Treffpunkts für High-End-Talente im Bereich Graphen, des synergistischen Ressourcenaggregats der Graphenindustrie und des Innovations- und Unternehmertums-Hochlandes.

Derzeit sind die hergestellten Graphenmaterialien alles andere als ideal, daher habe ich in letzter Zeit oft gesagt, dass die heutigen Graphenmaterialien nicht mit zukünftigen Graphenmaterialien gleichwertig sind und die aktuellen Verwendungszwecke von Graphen möglicherweise nicht einmal sehr nützlich sind. Möglicherweise nicht der Kern zukünftiger Industrien. Für uns müssen wir es bis zum Äußersten schaffen, um eine Industrie zu gründen, und die Vorbereitung bestimmt die Zukunft. Der Schlüssel liegt darin, ob wir wirklich gute Graphenmaterialien herstellen können.

Graphenfilm

Die künftige Graphenindustrie wird auf der Killeranwendung von Graphenmaterialien und nicht auf einem Allheilmittelzusatz basieren. Der heimische Markt konzentriert sich hauptsächlich auf diese Produkte, darunter Kleidung, Beschichtungen, Verbundwerkstoffe, Adsorption, Schmierprodukte, Graphen-Lithiumbatterien, intelligente Armbänder, Graphen-Handy-Touchscreens usw. Vernetzte Sensoren, Wearables und Gesundheitsmanagement, Datenkommunikation, Energietechnologie, Verbundwerkstoffe und mehr.

Was den Status quo der chinesischen Graphenmaterialindustrie betrifft, so gibt es eine ernsthafte Tendenz, schnellen Erfolg und sofortige Vorteile anzustreben, mangelnde Aufmerksamkeit für die Kerntechnologie der zukünftigen Graphenindustrie, eine große Anzahl von Patenten, aber unzureichende Innovationsfähigkeit und das Fehlen echter Kernrechte an geistigem Eigentum. Darüber hinaus ist der Hype auf dem Kapitalmarkt durcheinander, der Industriepark wird blind aufgebaut und das Phänomen der einfachen Wiederholung ist schwerwiegend. Es wurden noch keine Prüfstandards festgelegt, die Marktprodukte sind gemischt und die Finanzierung ist gering verstreut und völlig unzureichend. Die Regierung sollte ihre Entscheidungsposition klarstellen, sich in Zukunft auf die Gestaltung der Kerntechnologien der Graphenindustrie konzentrieren und Low-End-Produkte an den Markt und die Unternehmen übergeben.

Graphen-Patent

Laut einer Untersuchung von Cambridge IP, einem britischen Patentberatungsunternehmen, belief sich die Zahl der für Graphen angemeldeten Patente im Mai 2014 weltweit auf 11.372, wobei 3.060 auf Asien entfielen, während Europa und das Vereinigte Königreich nur 361 bzw. 41 hatten und damit deutlich zurückblieben. Die Anzahl der Patente im Graphenbereich muss sorgfältig geprüft werden.

Derzeit haben China und Südkorea zahlreiche Patente im Bereich Graphen angemeldet, und das Europäische Patentamt ist bei der Erteilung von Patenten sehr wählerisch, sodass die Zahl der in Europa eingereichten Patentanmeldungen relativ gering ist. Die Lücke in der Zahl der Patente ist kein Indikator dafür, dass Europa bei dieser Technologie im Rückstand ist.

Was die absolute Zahl der Patente angeht, ist Europa zwar unbestreitbar im Rückstand, qualitativ aber nicht schlechter als andere Länder. Viele chinesische Patente sind nicht international; Südkorea verfügt über Dutzende Patente in einem bestimmten Bereich, während europäische Patente ein breites Spektrum an Forschungsfeldern abdecken. Europa und das Vereinigte Königreich benötigen zwar mehr Patente und arbeiten darauf hin, aber die Anzahl der Patente muss genauer betrachtet werden.