グラフェンは、最初に発見された二次元材料として、2004 年の誕生以来、急速に世界中の注目と研究の関心を集めています。15 年が経過しましたが、グラフェンおよび関連二次元材料の研究は依然として活発であり、新しい研究分野が絶えず開発されています。現在の産業高度化と技術革命の新たなラウンドを背景に、新材料産業は確実に将来のハイテク産業の発展の基礎とリーダーとなり、世界の発展に重大な影響を与えるでしょう。中国は、グラファイト資源が豊富な国であり、グラフェンの研究と応用開発が最も活発な国の一つです。
新しい炭素ベースの材料であるグラフェンは、優れた光学的、電気的、熱的、機械的特性を備えています。電子情報、新素材、新エネルギー、生物医学などの分野で幅広い応用が期待されています。それは世界的な新技術、新たな産業革命になりつつあります。フォーカス.現在、世界中の80か国以上がグラフェン材料の研究開発に投資しており、米国、英国、韓国、日本、ヨーロッパはグラフェン研究を国家戦略レベルにまで高めています。この記事では、現在の研究分野における世界トップ5のグラフェン研究センターと中国のトップグラフェン研究機関を紹介します。
1. マンチェスター国立グラフェン研究所
グラフェンはマンチェスター大学で発明されました。 2010年、マンチェスター大学の物理学者アンドレ・ハイム氏とコンスタンチン・ノボセロフ氏が、グラフェン研究の功績により同年のノーベル物理学賞を受賞した。グラフェンの発祥国である英国は、スーパーマテリアルであるグラフェンの無限の発展の可能性を期待してきた。新たな産業革命を目指し、2011年、英国政府はマンチェスター大学に国立グラフェン研究所（NGI）を設立することを決定した。マンチェスター。2015 年 3 月、6,100 万ポンドをかけて NGI が正式に設立されました。
NGI は、英国、さらには世界におけるグラフェン関連研究の現在の源となっています。NGI の中心的な使命は、グラフェンと二次元材料の工業化と商業化を考慮に入れて、二次元 (2D) 材料科学と応用の最前線分野を継続的に探索することです。NGI を中心として、グラフェン エンジニアリング イノベーション センター (GEIC) とヘンリー ロイス研究所は NGI 研究成果を着手および開発し、2D の商業応用の新しいモデルを常に探索しています。国立グラフェン研究所ではコラボレーションが重要です。80 社以上の企業がマンチェスター大学と提携してグラフェンの応用に取り組んでいます。
2019年、NGIは合計60近くの論文を発表しました。その内訳は、NS定期誌に5件、Dazi誌に3件、Nature CommunicationやACSシリーズなどのトップジャーナルに約19件の論文です。統計によると、NGIの新しいトップジャーナルのほぼ半数は2D材料ヘテロ接合に関連しており、主にヘテロ構造内の2D材料における新規または異常な電子流体および光電子現象を報告しています。基礎物理学について。
2. ケンブリッジグラフェン研究センター
ケンブリッジ グラフェン センター (CGC) は、マンチェスター NGI と同様、英国グラフェン コラボレーション イノベーション グループの一部であり、エンジニアリング イノベーション センターとして位置付けられています。その主な任務は、学術界と産業界の橋渡しをし、グラフェンと2D材料の産業化を促進し、2D材料関連のアプリケーションに重点を置いた応用科学研究成果の市場化を促進することです。
CGC への投資の主な目的は、次の 2 つの側面でギャップを埋めることです。(1) 工業生産については、パイロットスケールのプロセス装置システムを研究し、グラフェン、ナノマテリアル、およびその他の新しい 2D マテリアルに基づくインクジェット印刷技術をテストおよび最適化する。 (2) 自己供給や無線相互接続などのエネルギー貯蔵の要件に直面し、透明でフレキシブルなベースに基づくインテリジェントな集積デバイスの研究。グラフェンおよびその他の関連材料を使用して、新しいフレキシブルでエネルギー効率の高い電子および光電子デバイスを可能にすることが、上記の研究の中心的な課題です。
上記の困難を徐々に克服するために、CGC は 4 つの一般的な方向から 2D 材料関連の研究を展開しました。(1) 材料の成長、転写、印刷。 (2) エネルギー用途。 (3) デバイスの相互接続。 (4) センサー用途。
2019年、ケンブリッジ大学ナノサイエンスセンターのコルム・ダーカン博士は、ジャーナル『Adv.メーター。
図 1. グラフェンデバイス製造の概略図。a) 銅箔上に支持層としてバルク PMMA を用いて CVD 成長グラフェンをスピンコートした。b) シリコン基板に転写し、バルク PMMA を除去した後、グラフェン表面は残ったが、ポリマー残留物がいくらか残った。c) パターン化されたグラフェン-金属接触部の電子ビームリソグラフィー後のレジスト現像後、より多くの PMMA 残留物がグラフェン表面に残る。d) これらの残留物はグラフェンと金属電極の間にトラップされる。 e、f) (b) と (c) の 2 つのステップの後、この研究で提案されているようにサンプルをイオン溶液で処理すると、グラフェン表面の残留物を効果的に除去できます。
観察結果を理解するには、グラフェンと同様に PMMA が疎水性であることを認識する必要があります。したがって、PMMA はグラフェン表面に強く付着します。PMMA はエステル側鎖を持つ炭素骨格を持っています。(HCl の場合と同様) 低い pH にさらされると、エステルが加水分解してアルコール (溶液中に分散します) と脂肪酸が生成され、これらは骨格に付着したままになります。この酸性形態の PMMA は親水性であるため、i)基礎となるグラフェンとの相互作用が弱くなり、ii) 水との相互作用がより強くなります。この 2 つの組み合わせにより、PMMA がゆっくりと溶解します。NaCl の作用に関しては、PMMA のメチルペンダント基を塩素化して塩化メチルを生成するなど、さまざまな反応が起こる可能性があります。塩化メチルも極性が高く、したがって水溶性です。
3. スペイン光電子研究所
光科学研究所 (ICFO) は、オプトエレクトロニクス研究に焦点を当てた世界クラスの研究センターです。世界中からオプトエレクトロニクス分野のハイエンドの基礎および応用研究者を採用しています。高度なオプトエレクトロニクス技術の応用を促進する。量子およびナノ生物学と並行して、グラフェンおよび2D材料の新規なオプトエレクトロニクス特性と急速な開発を考慮して、ICFOは独自にグラフェンおよび2D材料研究の新しい分野を開拓し、2D材料を使用して従来のオプトエレクトロニクス材料を置き換え、オプトエレクトロニクス分野が直面している現在の問題を解決したいと考えている。困難と課題。基礎科学の探求と新たな応用研究の両方が実施されます。 ICFO は、基礎科学と新たな応用分野において 4 つの主要な探査と研究の方向性を確立しました。
2017年、スペイン光科学研究所は高解像度グラフェン量子ドットCMOSイメージングセンサーを初めて製造し、2019年には上記の研究グループがNature、PRL、ACSシリーズのトップジャーナルに6本近い論文を含む計15本の論文を発表した。論文の注目のトピックは主に、二次元材料ナノ電気機械発振器、マジックアングルグラフェン、グラフェンオプトエレクトロニクスの分野です。
エネルギーの面では、ICFO は半透明太陽光発電デバイスにおけるグラフェンの実現可能な応用道を探索し、新しい機能性材料とナノ構造の応用を通じて再生可能エネルギーデバイスを開発することを目指しています。
高精度センシングの観点から、ICFO の研究は、グラフェンナノ電気機械発振器に基づく超分解能質量分析計と光機械システム、およびグラフェンベースの中赤外検出器、ガス検出器、および DNA、タンパク質などのセンサーの生化学応用の並行開発に焦点を当てています。
表面プラズモンフォトニクスに関しては、主にグラフェンプラズモンの電気的制御と検出、およびグラフェンプラズモンに基づく光変調を研究しています。
基礎光学では主にナノ量子光学、人工グラフェン、超高速光学、グラフェン非線形光学を研究。
イメージングシステムの応用分野としては、深紫外～可視光～赤外をカバーできるCMOS技術をベースとしたイメージセンサーを主に研究しています。
ウェアラブル アプリケーションに関しては、血中酸素などの複数の健康パラメータを効果的に検出できる、柔軟で半透明の健康検出システムに関する研究が主に行われています。
光検出器に関しては、広帯域吸収に基づく超広帯域検出器と、グラフェン、量子ドット、その他の 2D 材料を組み合わせた統合検出器に研究が主に焦点を当てています。
フレキシブル センサーに関しては、光学センサー、RFID、生化学センサー、ガス センサー、フレキシブル スクリーン、抗菌性、超潤滑表面などを含む、グラフェンやその他の 2D 材料によって実現されるフレキシブル センサーを主に研究しています。
4. シンガポール国立大学先端2D材料研究センター
2010年、シンガポール国立大学（NUS）は、主に二次元材料（グラフェンなど）に焦点を当てた新しい研究センターを設立すると発表した。いわゆる「2D材料センター」（2MC）は、今後10年間で国立研究財団から4,000万ドルの資金提供を受ける予定である。
マンチェスター NGI やケンブリッジ CGC と同様、シンガポール国立大学の NUS 先端 2D 材料センター (CA2DM) は、2D 材料開発の波を受けて設立された新しい研究センターです。 、特性評価、理論的モデリングとアプリケーションなどを研究し、2D 材料によってもたらされる革新的なテクノロジーを探索およびフォローアップします。
したがって、CA2DM は 4 つの大きな研究グループに分かれています。(1) グラフェン グループ。 (2) その他の 2D 素材群。 (3) 2D デバイスの組み合わせ。 (4) 理論グループ。CA2DM は現在、シンガポール最大の二次元材料総合研究センターであり、二次元材料に基づく基礎科学研究と産業応用においてアジア諸国の最前線に立っています。
2019年、CA2DMは合計96本の論文を発表し、その内訳はNature本誌に1本、NSサブジャーナル、Advanced Materails、Advanced Energy Materials、Nano Energy、ACSシリーズなどのトップジャーナルに40本近くあり、上記の研究方向性のほぼすべてをカバーしています。
5. サムスン工科大学（韓国）
韓国のグラフェン産業の発展は、生産、教育、研究と密接に統合されており、基礎研究と工業化の発展は比較的バランスが取れています。特に産業企業レベルで、SAIT はグラフェンをフレキシブル ディスプレイ、タッチ スクリーン、チップに使用できるようにするために多くの研究開発努力を投資してきました。この分野における国際的なリーダーシップ。
韓国のサムスン先進工科大学 (SAIT) は、サムスン グループの探査開発ビジネス クラスターに所属しています。新しい市場向けに最先端の技術または独自の技術を研究する。 (2) 技術の統合と革新を促進する。 (3) ナノテクノロジーの開発を促進する。 (4) 破壊的テクノロジーを研究する。
グラフェンは、今後10年間でいくつかの産業を強化し、変革する大きな可能性を秘めており、また、ヨーロッパおよび世界中で多数の新たな雇用を創出することも期待されています。したがって、グラフェンが技術的な観点からどの特定の産業分野でより重要であるかを検討することは非常に重要です。
中国有数のグラフェン研究機関 - 北京グラフェン研究所
北京グラフェン研究所（BGI）は、北京市政府の支援を受けて、北京大学、中国国家建材集団、中国宝安集団およびその他の業界大手企業によって2016年に設立された合弁会社で、グラフェン産業の中核技術の研究開発に重点を置いており、ハイエンド研究開発機関であると同時に、北京グラフェン研究所の業績変革と産業化促進の担い手としてBGIテクノロジー株式会社が設立されました。初代所長は国際的に有名なナノカーボン材料の専門家である北京大学の劉仲帆学者と、ノーベル賞受賞者のマンチェスター大学のコンスタンチン・ノボセロフ教授を名誉学部長として招聘する。
北京グラフェン研究所は、産業の発展と主要な国家ニーズを結び付け、グラフェン産業の中核となる主要技術をレイアウトし、ハイエンドの研究開発と鋳造工場向けの新しいサービスモデルを実装し、多数のグラフェンキラーアプリケーションを育成し、グラフェンハイテク企業グループのグループを育成して、数千億のグラフェン産業クラスターを育成し、我が国のグラフェン産業の中核的な競争力を構築します。
グラフェン産業をリードするコア技術の源、ハイテク産業イノベーションメカニズムとイノベーション文化実証エリア、世界的なグラフェンハイエンド人材が集まる場所、グラフェン産業リソースの相乗効果の集合体、イノベーションと起業家精神のハイランドです。
現時点で用意されているグラフェン材料は理想からはほど遠いため、私が最近よく言っているのは、現在のグラフェン材料は将来のグラフェン材料と同等ではなく、現在のグラフェンの用途ですらあまり有用ではない可能性があるということです。将来の産業の核ではないかもしれません。私たちにとって、産業を形成するには極限までやり遂げる必要があり、その準備が未来を決定します。本当に良いグラフェン材料を作れるかどうかが鍵です。
グラフェンフィルム
将来のグラフェン産業に関しては、万能の添加剤としてではなく、グラフェン材料のキラーアプリケーションに基づいたものとなるでしょう。国内市場は主にこれらの製品に焦点を当てており、これには衣類、コーティング、複合材料、吸着、潤滑製品、グラフェンリチウム電池、スマートブレスレット、グラフェン携帯電話タッチスクリーンなど、コネクテッドセンサー、ウェアラブルおよび健康管理、データ通信、エネルギー技術、複合材料などが含まれます。
中国のグラフェン材料産業の現状については、素早い成功と即効性を求める深刻な傾向があり、将来のグラフェン産業の核心技術への注目の欠如、多数の特許はあるが、イノベーション能力が不十分で、真の核心的知的財産権が不足している。また、資本市場の誇大宣伝が混同され、工業団地がやみくもに建設され、単純繰り返し現象が深刻である。試験基準がまだ確立されておらず、市場製品が混在し、資金が散在しており、深刻である。政府は意思決定の立場を明確にし、将来のグラフェン産業の中核技術の配置に焦点を当て、ローエンド製品を市場と企業に引き渡す必要がある。
グラフェン特許
英国の特許コンサルティング会社ケンブリッジIPの調査によると、2014年5月時点でグラフェンに関する世界の特許出願数は1万1372件、うちアジアが3060件であるのに対し、欧州は361件、英国は41件にとどまっており、明らかに遅れをとっている。グラフェン分野の特許数には注意が必要だ。
現在、中国と韓国がグラフェン分野で多数の特許を出願しており、欧州特許庁は特許の付与に非常にうるさいため、欧州での特許出願件数は比較的少ない。特許数の差は、欧州がこの技術で遅れていることを示すものではない。
特許の絶対数という点ではヨーロッパが遅れていることは否定できませんが、その質は他国に比べて劣っていません。中国の特許の多くは国際的ではありません。韓国は特定の分野で数十の特許を取得していますが、ヨーロッパの特許は幅広い研究分野をカバーしています。ヨーロッパと英国はより多くの特許を必要としており、その実現に向けて取り組んでいますが、特許の数はより注意深く見る必要があります。
