Пять ведущих мировых исследовательских центров графена и ведущие исследовательские институты Китая

Будучи первым открытым двумерным материалом, графен быстро привлек внимание всего мира и вызвал исследовательский интерес с момента его создания в 2004 году. Хотя прошло 15 лет, исследования графена и связанных с ним двумерных материалов все еще актуальны, и новые области исследований постоянно развиваются. На фоне нынешнего нового раунда промышленной модернизации и технологической революции индустрия новых материалов, несомненно, станет краеугольным камнем и лидером будущего развития высокотехнологичных отраслей и окажет глубокое влияние на развитие мировой экономики. экономика, технологии, окружающая среда и другие области. Китай является страной с большими ресурсами графита и одной из самых активных стран в исследованиях и разработке приложений графена.

Будучи новым материалом на основе углерода, графен обладает хорошими оптическими, электрическими, термическими и механическими свойствами. Он имеет широкие перспективы применения в области электронной информации, новых материалов, новой энергетики и биомедицины. Это становится глобальной новой технологией и новой промышленной революцией. В настоящее время более 80 стран мира инвестируют в исследования и разработки графеновых материалов, а США, Великобритания, Южная Корея, Япония и Европа даже подняли исследования графена на национальный стратегический уровень. В этой статье будут представлены пять крупнейших в мире исследовательских центров графена в текущей области исследований и ведущие исследовательские институты графена в Китае.

1. Манчестерский национальный институт графена

Графен был изобретен в Манчестерском университете. В 2010 году физики Андре Хайм и Константин Новоселов из Манчестерского университета в том же году получили Нобелевскую премию по физике за свои достижения в исследованиях графена. Будучи родиной графена, Великобритания увидела бесконечные перспективы развития графена, суперматериала. Стремясь к новому витку промышленной революции, в 2011 году британское правительство решило построить Национальный институт графена (NGI) в Манчестерском университете. В марте 2015 года NGI, стоимость которого составила 61 миллион фунтов, была официально учреждена.

NGI является текущим источником исследований, связанных с графеном, в Великобритании и даже во всем мире. Основная миссия NGI — постоянное исследование передовых областей двумерного (2D) материаловедения и его применения, принимая во внимание индустриализацию и коммерциализацию графена и двумерных материалов. С NGI в качестве центра Инновационный центр графена (GEIC) и Научно-исследовательский институт Генри Ройса проводят и развивают результаты исследований NGI, а также постоянно исследуют новые модели коммерческого применения 2D-материалов. Сотрудничество является ключевым моментом в Национальном институте графена. Более 80 компаний сотрудничают с Манчестерским университетом для работы над приложениями графена.

В 2019 году NGI опубликовал в общей сложности около 60 статей, в том числе 5 статей в обычных журналах NS, 3 статьи в журналах Dazi и около 19 статей в ведущих журналах, таких как Nature Communication и серии ACS. Статистика показывает, что почти половина новых лучших журналов NGI связаны с гетеропереходами 2D-материалов, в основном сообщая о новых или аномальных электронных жидкостях и оптоэлектронных явлениях в 2D-материалах в гетероструктурах. уделяя особое внимание фундаментальной физике.

2. Кембриджский исследовательский центр графена

Кембриджский графеновый центр (CGC), как и Манчестерский NGI, является частью британской группы совместных инноваций в области графена. CGC позиционируется как центр инженерных инноваций. Его основная задача — объединить научные круги и промышленность, способствовать индустриализации графена и 2D-материалов, а также способствовать коммерциализации результатов прикладных научных исследований с упором на приложения, связанные с 2D-материалами.

Основная цель инвестиций в CGC — заполнить пробелы в двух аспектах: (1) Для промышленного производства исследовать систему пилотного технологического оборудования, протестировать и оптимизировать технологию струйной печати на основе графена, наноматериалов и других новых 2D-материалов; (2) Учитывая требования к хранению энергии, такие как автономное питание и беспроводное соединение, исследования интеллектуальных интегрированных устройств на основе прозрачных и гибких оснований. Использование графена и других родственных материалов для создания новых гибких, энергоэффективных электронных и оптоэлектронных устройств является основной задачей вышеупомянутой работы.

Чтобы постепенно преодолеть вышеуказанные трудности, CGC развернула исследования, связанные с 2D-материалами, по четырем основным направлениям: (1) выращивание материала, перенос и печать; (2) энергетические применения; (3) взаимосвязь устройств; (4) сенсорные приложения.

В 2019 году доктор Колм Дюркан из Центра нанонаук Кембриджского университета предложил простое и эффективное решение для удаления остатков ПММА на графеновых поверхностях в журнале Adv. Матер.

Рисунок 1. Принципиальная схема изготовления графенового устройства. а) Графен, выращенный методом CVD и покрытый объемным ПММА в качестве опорного слоя на медной фольге. б) После переноса на кремниевую подложку и удаления объемного ПММА поверхность графена осталась, но с некоторыми остатками полимера. в) После проявления резиста после электронно-лучевой литографии для узорчатых контактов графен-металл на поверхности графена остается больше остатков ПММА. г) Эти остатки затем захватываются между графеном и металлом электроды после металлизации. д, е) После двух этапов (б) и (в) обработка образцов ионным раствором, как предложено в этой работе, может эффективно удалить остатки на поверхности графена.

Чтобы понять наблюдения, следует признать, что ПММА гидрофобен, как и графен. Следовательно, ПММА прочно прилипает к поверхности графена. ПММА имеет углеродный остов с сложноэфирными боковыми цепями. При воздействии низкого pH (как в случае с HCl) сложные эфиры могут гидролизоваться с образованием спиртов (которые диспергируются в растворе) и жирных кислот, которые остаются прикрепленными к основной цепи. Эта кислая форма ПММА будет гидрофильной и, следовательно, i) будет более слабой. взаимодействия с лежащим в основе графеном и ii) будут сильнее взаимодействовать с водой. Комбинация этих двух результатов приводит к медленному растворению ПММА. Что касается действия NaCl, могут происходить различные реакции, включая хлорирование метильных подвесных групп ПММА с образованием метилхлорида, который также является высокополярным и, следовательно, водорастворимым.

3. Испанский институт оптоэлектроники

Институт фотонных наук (ICFO) — исследовательский центр мирового уровня, специализирующийся на исследованиях в области оптоэлектроники. Он набирает высококлассных ученых-фундаменталистов и прикладных исследователей в области оптоэлектроники со всего мира. Содействие применению передовых оптоэлектронных технологий. Ввиду новых оптоэлектронных свойств и быстрого развития графена и 2D-материалов, параллельно с квантовой и нанобиологией, ICFO самостоятельно открывает новую область исследований графена и 2D-материалов, надеясь использовать 2D-материалы для замены традиционных оптоэлектронных материалов и решения текущих проблем, с которыми сталкивается область оптоэлектроники. Трудности и проблемы. Проводятся как фундаментальные научные исследования, так и новые прикладные исследования. ICFO установила четыре основных направления исследований и исследований в области фундаментальной науки и новых приложений.

В 2017 году Испанский институт фотонных наук впервые создал КМОП-датчик изображения с графеновыми квантовыми точками высокого разрешения. В 2019 году вышеупомянутые исследовательские группы опубликовали в общей сложности 15 статей, в том числе почти 6 статей в ведущих журналах серии Nature, PRL и ACS. Горячие темы статей касаются в основном двумерных материальных наноэлектромеханических генераторов, графена с магическим углом и графеновой оптоэлектроники.

Что касается энергетики, ICFO стремится изучить возможные возможности применения графена в полупрозрачных фотоэлектрических устройствах, а также разработать устройства, использующие возобновляемые источники энергии, путем применения новых функциональных материалов и наноструктур.

Что касается высокоточного зондирования, исследования ICFO сосредоточены на масс-спектрометрах сверхвысокого разрешения и оптико-механических системах на основе графеновых наноэлектромеханических генераторов, а также на параллельной разработке детекторов среднего инфракрасного диапазона на основе графена, газовых детекторов и биохимических приложений для датчиков ДНК, белков и т. д.

Что касается фотоники поверхностных плазмонов, он в основном изучает электрическую регуляцию и обнаружение графеновых плазмонов, а также оптическую модуляцию на основе графеновых плазмонов.

В области базовой оптики он в основном изучает наноквантовую оптику, искусственный графен, сверхбыструю оптику и нелинейную оптику графена.

Что касается приложений для систем обработки изображений, ICFO в основном исследует датчики изображения на основе технологии CMOS, которые могут охватывать глубокий ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны.

Что касается носимых устройств, основные исследования касаются гибких и полупрозрачных систем обнаружения здоровья, которые могут эффективно определять множество параметров здоровья, таких как уровень кислорода в крови.

Что касается фотодетекторов, исследования в основном сосредоточены на сверхширокополосных детекторах на основе широкополосного поглощения и интегрированных детекторах, сочетающих графен, квантовые точки и другие двумерные материалы.

Что касается гибких датчиков, он в основном изучает гибкие датчики на основе графена и других 2D-материалов, включая оптические датчики, RFID, биохимические датчики, газовые датчики, гибкие экраны и антибактериальные, сверхсмазывающиеся поверхности и т. д.

4. Центр перспективных 2D-исследований материалов, Национальный университет Сингапура.

В 2010 году Национальный университет Сингапура (NUS) объявил, что создаст новый исследовательский центр, в основном занимающийся двумерными материалами (такими как графен). Так называемый «Центр 2D материалов» (2MC) получит финансирование в размере 40 миллионов долларов от Национального исследовательского фонда в течение следующих 10 лет.

Подобно Манчестерскому NGI и Кембриджскому CGC, Центр перспективных 2D-материалов NUS (CA2DM) Национального университета Сингапура — это новый исследовательский центр, созданный на волне разработки 2D-материалов. , характеристика, теоретическое моделирование и приложения и т. д. для изучения и развития революционных технологий, связанных с 2D-материалами.

Таким образом, CA2DM разделена на четыре большие исследовательские группы: (1) группа графена; (2) другая группа 2D-материалов; (3) комбинация 2D-устройств; (4) теоретическая группа. CA2DM в настоящее время является крупнейшим комплексным исследовательским центром 2D-материалов в Сингапуре и находится в авангарде азиатских стран в области фундаментальных научных исследований и промышленных приложений на основе 2D-материалов.

В 2019 году CA2DM опубликовал в общей сложности 96 статей: 1 в главном журнале Nature, почти 40 в ведущих журналах, таких как поджурналы NS, Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy и серии ACS, охватывающие почти все вышеперечисленные направления исследований.

5. Технологический институт Самсунг, Южная Корея

Развитие графеновой промышленности в Корее тесно связано с производством, образованием и исследованиями, а развитие фундаментальных исследований и индустриализации относительно сбалансировано. SAIT вложила много усилий в исследования и разработки, особенно на уровне промышленных предприятий, чтобы гарантировать возможность использования графена в гибких дисплеях, сенсорных экранах и чипах. международное лидерство в этой области.

Южнокорейский институт передовых технологий Samsung (SAIT) входит в бизнес-кластер группы компаний Samsung по разведке и разработке месторождений. Исследование передовых или оригинальных технологий для новых рынков; (2) Содействие технологической интеграции и инновациям; (3) Содействовать развитию нанотехнологий; (4) Исследовать прорывные технологии.

Графен обладает огромным потенциалом для развития и преобразования нескольких отраслей промышленности в ближайшие 10 лет, а также ожидается, что он создаст большое количество новых рабочих мест в Европе и во всем мире. Поэтому очень важно изучить, в каких конкретных отраслях промышленности графен более важен с технической точки зрения.

Один из ведущих исследовательских институтов графена в Китае — Пекинский научно-исследовательский институт графена.

Пекинский научно-исследовательский институт графена (BGI) - это совместное предприятие, созданное в 2016 году Пекинским университетом, Китайской национальной группой строительных материалов, China Baoan Group и другими ведущими предприятиями отрасли при поддержке муниципального правительства Пекина, специализирующееся на основных технологических исследованиях и разработках графеновой промышленности, высококлассное агентство по исследованиям и разработкам. В то же время была основана компания BGI Technology Co., Ltd. как носитель преобразований достижений и содействия индустриализации Пекинского научно-исследовательского института графена. Первый декан - всемирно известный наноуглеродный институт. В качестве почетного декана приглашены эксперт-материаловед, академик Лю Чжунфань из Пекинского университета и лауреат Нобелевской премии профессор Константин Новоселов из Манчестерского университета.

Пекинский научно-исследовательский институт графена объединяет промышленное развитие и основные национальные потребности, излагает основные ключевые технологии графеновой промышленности, внедряет новую модель обслуживания для высококлассных исследований и разработок и литейного производства, разрабатывает ряд приложений, убивающих графен, и создает группу высокотехнологичных графеновых предпринимательских групп, чтобы развивать сотни миллиардов кластеров графеновой промышленности и создавать основную конкурентоспособность графеновой промышленности моей страны.

Это источник основных технологий, ведущих в графеновой промышленности, инновационного механизма высокотехнологичной отрасли и демонстрационной зоны инновационной культуры, глобального места сбора высококлассных талантов графена, синергетического агрегата ресурсов графеновой промышленности, а также высокогорья инноваций и предпринимательства.

В настоящее время полученные графеновые материалы далеки от идеала, поэтому в последнее время я часто говорил, что сегодняшние графеновые материалы не эквивалентны будущим графеновым материалам, и нынешнее использование графена может быть даже не очень полезным. Возможно, это не ядро ​​будущих отраслей. Нам нужно дойти до крайности, чтобы сформировать отрасль, а подготовка определяет будущее. Вопрос в том, сможем ли мы создать действительно хорошие графеновые материалы.

графеновая пленка

Что касается будущей графеновой промышленности, то она будет основана на мощном применении графеновых материалов, а не на панацее. Внутренний рынок в основном ориентирован на эти продукты, включая одежду, покрытия, композитные материалы, адсорбционные, смазочные материалы, графеновые литиевые батареи, умные браслеты, графеновые сенсорные экраны для мобильных телефонов и т. д. Подключаемые датчики, носимые устройства и управление здоровьем, передача данных, энергетические технологии, композиты и многое другое.

Что касается статус-кво китайской индустрии графеновых материалов, то существует серьезная тенденция к быстрому успеху и мгновенным выгодам, отсутствие внимания к основной технологии будущей графеновой промышленности, большое количество патентов, но недостаточная инновационная способность и отсутствие реальных основных прав интеллектуальной собственности. должна прояснить свою позицию при принятии решений, сосредоточиться на планировании основных технологий графеновой отрасли в будущем и передать рынку и предприятиям недорогую продукцию.

Патент на графен

По данным исследования Cambridge IP, британской патентно-консалтинговой фирмы, по состоянию на май 2014 года количество патентов, поданных на графен, в мире составило 11 372, из них на Азию приходится 3060, тогда как в Европе и Великобритании - только 361 и 41 соответственно, что явно отстает. Количество патентов в области графена необходимо внимательно рассматривать.

В настоящее время Китай и Южная Корея подали заявки на большое количество патентов в области графена, а Европейское патентное ведомство очень разборчиво в выдаче патентов, поэтому количество поданных патентных заявок в Европе относительно невелико. Разрыв в количестве патентов не является показателем того, что Европа отстает в этой технологии.

По абсолютному количеству патентов нельзя отрицать, что Европа отстает, но по качеству они не уступают другим странам. Многие китайские патенты не являются международными; Южная Корея имеет десятки патентов в определенной области, в то время как европейские патенты охватывают широкий спектр областей исследований. Европа и Великобритания действительно нуждаются в большем количестве патентов и работают над этим, но количество патентов необходимо рассматривать более внимательно.