石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制
控制熱輻射是諸多應用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導體中，通過電磁局域態密度可以對熱發射譜進行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩定，制約了輻射效率的提高和熱電應用。該文章報道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩定熱發射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經過局域態密度設計過的基底的熱解耦為熱發射控制開闢了廣闊的設計空間，這對於傳統加熱的納米尺度圖案化金屬或半導體材料來說是幾乎不可能的。
原文鏈接：Shiue, R.-J.; Gao, Y.; Tan, C.; Peng, C.; Zheng, J.; Efetov, D. K.; Kim, Y. D.; Hone, J.; Englund, D., Thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. Nature Communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）
圖8 空腔石墨烯熱發射器件和工作原理
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制
控制熱輻射是諸多應用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導體中，通過電磁局域態密度可以對熱發射譜進行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩定，制約了輻射效率的提高和熱電應用。該文章報道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩定熱發射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經過局域態密度設計過的基底的熱解耦為熱發射控制開闢了廣闊的設計空間，這對於傳統加熱的納米尺度圖案化金屬或半導體材料來說是幾乎不可能的。
原文鏈接：Shiue, R.-J.; Gao, Y.; Tan, C.; Peng, C.; Zheng, J.; Efetov, D. K.; Kim, Y. D.; Hone, J.; Englund, D., Thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. Nature Communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）
圖8 空腔石墨烯熱發射器件和工作原理
4 新加坡國立大學先進二維材料研究中心
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制
控制熱輻射是諸多應用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導體中，通過電磁局域態密度可以對熱發射譜進行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩定，制約了輻射效率的提高和熱電應用。該文章報道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩定熱發射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經過局域態密度設計過的基底的熱解耦為熱發射控制開闢了廣闊的設計空間，這對於傳統加熱的納米尺度圖案化金屬或半導體材料來說是幾乎不可能的。
原文鏈接：Shiue, R.-J.; Gao, Y.; Tan, C.; Peng, C.; Zheng, J.; Efetov, D. K.; Kim, Y. D.; Hone, J.; Englund, D., Thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. Nature Communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）
圖8 空腔石墨烯熱發射器件和工作原理
4 新加坡國立大學先進二維材料研究中心
新加坡國立大學先進二維材料研究中心（The NUS Centre for Advanced 2D Materials，CA2DM）與曼大NGI和劍橋CGC類似，是一所在2D材料發展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在從概念、表徵、理論建模和應用等全方位探索和跟進2D材料所帶來的革命性技術，因此，CA2DM分為四個大的研究組：（1）石墨烯組；（2）其他2D材料組；（3）2D器件組合；（4）理論組。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料綜合研究中心，在基於2D材料的基礎科學研究和產業化應用方面走在亞洲國家前列。CA2DM主攻的研究方向見下表。
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制
控制熱輻射是諸多應用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導體中，通過電磁局域態密度可以對熱發射譜進行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩定，制約了輻射效率的提高和熱電應用。該文章報道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩定熱發射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經過局域態密度設計過的基底的熱解耦為熱發射控制開闢了廣闊的設計空間，這對於傳統加熱的納米尺度圖案化金屬或半導體材料來說是幾乎不可能的。
原文鏈接：Shiue, R.-J.; Gao, Y.; Tan, C.; Peng, C.; Zheng, J.; Efetov, D. K.; Kim, Y. D.; Hone, J.; Englund, D., Thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. Nature Communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）
圖8 空腔石墨烯熱發射器件和工作原理
4 新加坡國立大學先進二維材料研究中心
新加坡國立大學先進二維材料研究中心（The NUS Centre for Advanced 2D Materials，CA2DM）與曼大NGI和劍橋CGC類似，是一所在2D材料發展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在從概念、表徵、理論建模和應用等全方位探索和跟進2D材料所帶來的革命性技術，因此，CA2DM分為四個大的研究組：（1）石墨烯組；（2）其他2D材料組；（3）2D器件組合；（4）理論組。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料綜合研究中心，在基於2D材料的基礎科學研究和產業化應用方面走在亞洲國家前列。CA2DM主攻的研究方向見下表。
2019年，CA2DM累計發文96篇，Nature正刊1篇、NS子刊、Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS系列等頂刊近40篇，發文幾乎涵蓋上述各個研究方向，下面僅羅列部分代表作。
Nature Nanotechnology：襯底紋波增強2D材料晶體管性能8
二維過渡金屬二羥基化合物（TMD）材料雖然在電子學和光電領域有很好的應用前景，但自然環境下的低遷移率限制了其應用。學界不斷在探索提高器件性能途徑，如對電極、柵介質等進行改進、h-BN封裝，但是改善的程度有限。該文章通過改變襯底的表面形貌實現了自然環境條件下TMD場效應晶體管性能2個數量級飛躍，而且飽和電流非常高。該文章認為是機械應力導致了該提升，因為陰曆對局域能隙、量子發射特性等均有影響。通過對不同介電材料和形貌的綜合研究，研究人員證明，襯底的波紋度增加及其產生的應變場是導致TMD晶體管性能提高的主要因素。這一策略對於其它半導體TMD材料，普遍適用性，為異質集成電子學開闢了新的途徑。
原文鏈接：Liu, T.; Liu, S.; Tu, K.-H.; Schmidt, H.; Chu, L.; Xiang, D.; Martin, J.; Eda, G.; Ross, C. A.; Garaj, S., Crested two-dimensional transistors. Nature Nanotechnology 2019, 14 (3), 223-226.（10.1038/s41565-019-0361-x）
圖9 在c-SiNx襯底上的高性能MoS2 FET
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制
控制熱輻射是諸多應用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導體中，通過電磁局域態密度可以對熱發射譜進行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩定，制約了輻射效率的提高和熱電應用。該文章報道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩定熱發射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經過局域態密度設計過的基底的熱解耦為熱發射控制開闢了廣闊的設計空間，這對於傳統加熱的納米尺度圖案化金屬或半導體材料來說是幾乎不可能的。
原文鏈接：Shiue, R.-J.; Gao, Y.; Tan, C.; Peng, C.; Zheng, J.; Efetov, D. K.; Kim, Y. D.; Hone, J.; Englund, D., Thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. Nature Communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）
圖8 空腔石墨烯熱發射器件和工作原理
4 新加坡國立大學先進二維材料研究中心
新加坡國立大學先進二維材料研究中心（The NUS Centre for Advanced 2D Materials，CA2DM）與曼大NGI和劍橋CGC類似，是一所在2D材料發展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在從概念、表徵、理論建模和應用等全方位探索和跟進2D材料所帶來的革命性技術，因此，CA2DM分為四個大的研究組：（1）石墨烯組；（2）其他2D材料組；（3）2D器件組合；（4）理論組。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料綜合研究中心，在基於2D材料的基礎科學研究和產業化應用方面走在亞洲國家前列。CA2DM主攻的研究方向見下表。
2019年，CA2DM累計發文96篇，Nature正刊1篇、NS子刊、Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS系列等頂刊近40篇，發文幾乎涵蓋上述各個研究方向，下面僅羅列部分代表作。
Nature Nanotechnology：襯底紋波增強2D材料晶體管性能8
二維過渡金屬二羥基化合物（TMD）材料雖然在電子學和光電領域有很好的應用前景，但自然環境下的低遷移率限制了其應用。學界不斷在探索提高器件性能途徑，如對電極、柵介質等進行改進、h-BN封裝，但是改善的程度有限。該文章通過改變襯底的表面形貌實現了自然環境條件下TMD場效應晶體管性能2個數量級飛躍，而且飽和電流非常高。該文章認為是機械應力導致了該提升，因為陰曆對局域能隙、量子發射特性等均有影響。通過對不同介電材料和形貌的綜合研究，研究人員證明，襯底的波紋度增加及其產生的應變場是導致TMD晶體管性能提高的主要因素。這一策略對於其它半導體TMD材料，普遍適用性，為異質集成電子學開闢了新的途徑。
原文鏈接：Liu, T.; Liu, S.; Tu, K.-H.; Schmidt, H.; Chu, L.; Xiang, D.; Martin, J.; Eda, G.; Ross, C. A.; Garaj, S., Crested two-dimensional transistors. Nature Nanotechnology 2019, 14 (3), 223-226.（10.1038/s41565-019-0361-x）
圖9 在c-SiNx襯底上的高性能MoS2 FET
ACS Nano：用於中紅外應用的波導集成黑磷光電探測器9
中紅外（MIR）覆蓋了眾多的分子振動指紋，在無標記、無損傷傳感方面擁有巨大的的潛力，引起了學界極大的研究興趣。儘管該領域已經開展了大量研究工作，但片上波導集成傳感系統的實現迄今為止進展緩慢。硅與HgCdTe、 Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ等常用探測材料的巨大晶格失配是阻礙其集成的關鍵瓶頸。該文章實現了硅（SOI）波導與黑磷（BP）光電探測器的集成。在BP的截止波長工作時，利用硅波導和光柵結構中的光約束，克服了BP厚度對吸收長度的限制，增強了光與BP的相互作用。文章比較了不同晶向和厚度的BP器件的響應度和噪聲等效功率（NEP），研究了3.68~4.03μm的光譜響應。此外，還研究了響應率與功率關係和柵可調諧光電流。在1V的偏壓下，BP光電探測器在3.68μm和4μm處的響應度分別為23A/W和2A/W，室溫下的NEP小於1Nw/Hz1/2。無源硅光子學和有源BP光電探測器的集成有望為MIR片上集成系統的實現提供一條潛在的途徑。
原文鏈接：Huang, L.; Dong, B.; Guo, X.; Chang, Y.; Chen, N.; Huang, X.; Liao, W.; Zhu, C.; Wang, H.; Lee, C.; Ang, K.-W., Waveguide-Integrated Black Phosphorus Photodetector for Mid-Infrared Applications. ACS Nano 2019, 13 (1), 913-921.（10.1021/acsnano.8b08758）
圖10 波導集成黑磷光電探測器結構
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制
控制熱輻射是諸多應用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導體中，通過電磁局域態密度可以對熱發射譜進行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩定，制約了輻射效率的提高和熱電應用。該文章報道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩定熱發射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經過局域態密度設計過的基底的熱解耦為熱發射控制開闢了廣闊的設計空間，這對於傳統加熱的納米尺度圖案化金屬或半導體材料來說是幾乎不可能的。
原文鏈接：Shiue, R.-J.; Gao, Y.; Tan, C.; Peng, C.; Zheng, J.; Efetov, D. K.; Kim, Y. D.; Hone, J.; Englund, D., Thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. Nature Communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）
圖8 空腔石墨烯熱發射器件和工作原理
4 新加坡國立大學先進二維材料研究中心
新加坡國立大學先進二維材料研究中心（The NUS Centre for Advanced 2D Materials，CA2DM）與曼大NGI和劍橋CGC類似，是一所在2D材料發展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在從概念、表徵、理論建模和應用等全方位探索和跟進2D材料所帶來的革命性技術，因此，CA2DM分為四個大的研究組：（1）石墨烯組；（2）其他2D材料組；（3）2D器件組合；（4）理論組。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料綜合研究中心，在基於2D材料的基礎科學研究和產業化應用方面走在亞洲國家前列。CA2DM主攻的研究方向見下表。
2019年，CA2DM累計發文96篇，Nature正刊1篇、NS子刊、Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS系列等頂刊近40篇，發文幾乎涵蓋上述各個研究方向，下面僅羅列部分代表作。
Nature Nanotechnology：襯底紋波增強2D材料晶體管性能8
二維過渡金屬二羥基化合物（TMD）材料雖然在電子學和光電領域有很好的應用前景，但自然環境下的低遷移率限制了其應用。學界不斷在探索提高器件性能途徑，如對電極、柵介質等進行改進、h-BN封裝，但是改善的程度有限。該文章通過改變襯底的表面形貌實現了自然環境條件下TMD場效應晶體管性能2個數量級飛躍，而且飽和電流非常高。該文章認為是機械應力導致了該提升，因為陰曆對局域能隙、量子發射特性等均有影響。通過對不同介電材料和形貌的綜合研究，研究人員證明，襯底的波紋度增加及其產生的應變場是導致TMD晶體管性能提高的主要因素。這一策略對於其它半導體TMD材料，普遍適用性，為異質集成電子學開闢了新的途徑。
原文鏈接：Liu, T.; Liu, S.; Tu, K.-H.; Schmidt, H.; Chu, L.; Xiang, D.; Martin, J.; Eda, G.; Ross, C. A.; Garaj, S., Crested two-dimensional transistors. Nature Nanotechnology 2019, 14 (3), 223-226.（10.1038/s41565-019-0361-x）
圖9 在c-SiNx襯底上的高性能MoS2 FET
ACS Nano：用於中紅外應用的波導集成黑磷光電探測器9
中紅外（MIR）覆蓋了眾多的分子振動指紋，在無標記、無損傷傳感方面擁有巨大的的潛力，引起了學界極大的研究興趣。儘管該領域已經開展了大量研究工作，但片上波導集成傳感系統的實現迄今為止進展緩慢。硅與HgCdTe、 Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ等常用探測材料的巨大晶格失配是阻礙其集成的關鍵瓶頸。該文章實現了硅（SOI）波導與黑磷（BP）光電探測器的集成。在BP的截止波長工作時，利用硅波導和光柵結構中的光約束，克服了BP厚度對吸收長度的限制，增強了光與BP的相互作用。文章比較了不同晶向和厚度的BP器件的響應度和噪聲等效功率（NEP），研究了3.68~4.03μm的光譜響應。此外，還研究了響應率與功率關係和柵可調諧光電流。在1V的偏壓下，BP光電探測器在3.68μm和4μm處的響應度分別為23A/W和2A/W，室溫下的NEP小於1Nw/Hz1/2。無源硅光子學和有源BP光電探測器的集成有望為MIR片上集成系統的實現提供一條潛在的途徑。
原文鏈接：Huang, L.; Dong, B.; Guo, X.; Chang, Y.; Chen, N.; Huang, X.; Liao, W.; Zhu, C.; Wang, H.; Lee, C.; Ang, K.-W., Waveguide-Integrated Black Phosphorus Photodetector for Mid-Infrared Applications. ACS Nano 2019, 13 (1), 913-921.（10.1021/acsnano.8b08758）
圖10 波導集成黑磷光電探測器結構
ACS Nano：應用於 1T’-MoSe2生長的Au（111）界面設計10
二維過渡金屬硫化物（TMDCs）的相控合成備受關注，因為TMDCs的不同相具有截然不同的性質。然而，由於金屬相 Ⅵ族TMDCs的亞穩定性使得製備金屬相非常困難。在單層水平上，界面設計可以用來穩定亞穩相。該文章通過分子束外延證明了單層1H-或1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長，利用掃描隧道顯微鏡和光譜可以清楚地區分這兩個相。1H- MoSe2偏好於在Au（111）上生長，1T’-MoSe2偏好於在預先沉積有Se的Au（111）上生長。襯底預處理方法同樣適用於其它Ⅵ族TMDCs在Au（111）上的相控外延生長。
原文鏈接：Cheng, F.; Hu, Z.; Xu, H.; Shao, Y.; Su, J.; Chen, Z.; Ji, W.; Loh, K. P., Interface Engineering of Au(111) for the Growth of 1T′-MoSe2. ACS Nano 2019, 13 (2), 2316-2323.（10.1021/acsnano.8b09054）
圖11 1H-和1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制
控制熱輻射是諸多應用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導體中，通過電磁局域態密度可以對熱發射譜進行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩定，制約了輻射效率的提高和熱電應用。該文章報道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩定熱發射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經過局域態密度設計過的基底的熱解耦為熱發射控制開闢了廣闊的設計空間，這對於傳統加熱的納米尺度圖案化金屬或半導體材料來說是幾乎不可能的。
原文鏈接：Shiue, R.-J.; Gao, Y.; Tan, C.; Peng, C.; Zheng, J.; Efetov, D. K.; Kim, Y. D.; Hone, J.; Englund, D., Thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. Nature Communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）
圖8 空腔石墨烯熱發射器件和工作原理
4 新加坡國立大學先進二維材料研究中心
新加坡國立大學先進二維材料研究中心（The NUS Centre for Advanced 2D Materials，CA2DM）與曼大NGI和劍橋CGC類似，是一所在2D材料發展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在從概念、表徵、理論建模和應用等全方位探索和跟進2D材料所帶來的革命性技術，因此，CA2DM分為四個大的研究組：（1）石墨烯組；（2）其他2D材料組；（3）2D器件組合；（4）理論組。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料綜合研究中心，在基於2D材料的基礎科學研究和產業化應用方面走在亞洲國家前列。CA2DM主攻的研究方向見下表。
2019年，CA2DM累計發文96篇，Nature正刊1篇、NS子刊、Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS系列等頂刊近40篇，發文幾乎涵蓋上述各個研究方向，下面僅羅列部分代表作。
Nature Nanotechnology：襯底紋波增強2D材料晶體管性能8
二維過渡金屬二羥基化合物（TMD）材料雖然在電子學和光電領域有很好的應用前景，但自然環境下的低遷移率限制了其應用。學界不斷在探索提高器件性能途徑，如對電極、柵介質等進行改進、h-BN封裝，但是改善的程度有限。該文章通過改變襯底的表面形貌實現了自然環境條件下TMD場效應晶體管性能2個數量級飛躍，而且飽和電流非常高。該文章認為是機械應力導致了該提升，因為陰曆對局域能隙、量子發射特性等均有影響。通過對不同介電材料和形貌的綜合研究，研究人員證明，襯底的波紋度增加及其產生的應變場是導致TMD晶體管性能提高的主要因素。這一策略對於其它半導體TMD材料，普遍適用性，為異質集成電子學開闢了新的途徑。
原文鏈接：Liu, T.; Liu, S.; Tu, K.-H.; Schmidt, H.; Chu, L.; Xiang, D.; Martin, J.; Eda, G.; Ross, C. A.; Garaj, S., Crested two-dimensional transistors. Nature Nanotechnology 2019, 14 (3), 223-226.（10.1038/s41565-019-0361-x）
圖9 在c-SiNx襯底上的高性能MoS2 FET
ACS Nano：用於中紅外應用的波導集成黑磷光電探測器9
中紅外（MIR）覆蓋了眾多的分子振動指紋，在無標記、無損傷傳感方面擁有巨大的的潛力，引起了學界極大的研究興趣。儘管該領域已經開展了大量研究工作，但片上波導集成傳感系統的實現迄今為止進展緩慢。硅與HgCdTe、 Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ等常用探測材料的巨大晶格失配是阻礙其集成的關鍵瓶頸。該文章實現了硅（SOI）波導與黑磷（BP）光電探測器的集成。在BP的截止波長工作時，利用硅波導和光柵結構中的光約束，克服了BP厚度對吸收長度的限制，增強了光與BP的相互作用。文章比較了不同晶向和厚度的BP器件的響應度和噪聲等效功率（NEP），研究了3.68~4.03μm的光譜響應。此外，還研究了響應率與功率關係和柵可調諧光電流。在1V的偏壓下，BP光電探測器在3.68μm和4μm處的響應度分別為23A/W和2A/W，室溫下的NEP小於1Nw/Hz1/2。無源硅光子學和有源BP光電探測器的集成有望為MIR片上集成系統的實現提供一條潛在的途徑。
原文鏈接：Huang, L.; Dong, B.; Guo, X.; Chang, Y.; Chen, N.; Huang, X.; Liao, W.; Zhu, C.; Wang, H.; Lee, C.; Ang, K.-W., Waveguide-Integrated Black Phosphorus Photodetector for Mid-Infrared Applications. ACS Nano 2019, 13 (1), 913-921.（10.1021/acsnano.8b08758）
圖10 波導集成黑磷光電探測器結構
ACS Nano：應用於 1T’-MoSe2生長的Au（111）界面設計10
二維過渡金屬硫化物（TMDCs）的相控合成備受關注，因為TMDCs的不同相具有截然不同的性質。然而，由於金屬相 Ⅵ族TMDCs的亞穩定性使得製備金屬相非常困難。在單層水平上，界面設計可以用來穩定亞穩相。該文章通過分子束外延證明了單層1H-或1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長，利用掃描隧道顯微鏡和光譜可以清楚地區分這兩個相。1H- MoSe2偏好於在Au（111）上生長，1T’-MoSe2偏好於在預先沉積有Se的Au（111）上生長。襯底預處理方法同樣適用於其它Ⅵ族TMDCs在Au（111）上的相控外延生長。
原文鏈接：Cheng, F.; Hu, Z.; Xu, H.; Shao, Y.; Su, J.; Chen, Z.; Ji, W.; Loh, K. P., Interface Engineering of Au(111) for the Growth of 1T′-MoSe2. ACS Nano 2019, 13 (2), 2316-2323.（10.1021/acsnano.8b09054）
圖11 1H-和1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長
5 韓國三星綜合技術院
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制
控制熱輻射是諸多應用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導體中，通過電磁局域態密度可以對熱發射譜進行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩定，制約了輻射效率的提高和熱電應用。該文章報道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩定熱發射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經過局域態密度設計過的基底的熱解耦為熱發射控制開闢了廣闊的設計空間，這對於傳統加熱的納米尺度圖案化金屬或半導體材料來說是幾乎不可能的。
原文鏈接：Shiue, R.-J.; Gao, Y.; Tan, C.; Peng, C.; Zheng, J.; Efetov, D. K.; Kim, Y. D.; Hone, J.; Englund, D., Thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. Nature Communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）
圖8 空腔石墨烯熱發射器件和工作原理
4 新加坡國立大學先進二維材料研究中心
新加坡國立大學先進二維材料研究中心（The NUS Centre for Advanced 2D Materials，CA2DM）與曼大NGI和劍橋CGC類似，是一所在2D材料發展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在從概念、表徵、理論建模和應用等全方位探索和跟進2D材料所帶來的革命性技術，因此，CA2DM分為四個大的研究組：（1）石墨烯組；（2）其他2D材料組；（3）2D器件組合；（4）理論組。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料綜合研究中心，在基於2D材料的基礎科學研究和產業化應用方面走在亞洲國家前列。CA2DM主攻的研究方向見下表。
2019年，CA2DM累計發文96篇，Nature正刊1篇、NS子刊、Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS系列等頂刊近40篇，發文幾乎涵蓋上述各個研究方向，下面僅羅列部分代表作。
Nature Nanotechnology：襯底紋波增強2D材料晶體管性能8
二維過渡金屬二羥基化合物（TMD）材料雖然在電子學和光電領域有很好的應用前景，但自然環境下的低遷移率限制了其應用。學界不斷在探索提高器件性能途徑，如對電極、柵介質等進行改進、h-BN封裝，但是改善的程度有限。該文章通過改變襯底的表面形貌實現了自然環境條件下TMD場效應晶體管性能2個數量級飛躍，而且飽和電流非常高。該文章認為是機械應力導致了該提升，因為陰曆對局域能隙、量子發射特性等均有影響。通過對不同介電材料和形貌的綜合研究，研究人員證明，襯底的波紋度增加及其產生的應變場是導致TMD晶體管性能提高的主要因素。這一策略對於其它半導體TMD材料，普遍適用性，為異質集成電子學開闢了新的途徑。
原文鏈接：Liu, T.; Liu, S.; Tu, K.-H.; Schmidt, H.; Chu, L.; Xiang, D.; Martin, J.; Eda, G.; Ross, C. A.; Garaj, S., Crested two-dimensional transistors. Nature Nanotechnology 2019, 14 (3), 223-226.（10.1038/s41565-019-0361-x）
圖9 在c-SiNx襯底上的高性能MoS2 FET
ACS Nano：用於中紅外應用的波導集成黑磷光電探測器9
中紅外（MIR）覆蓋了眾多的分子振動指紋，在無標記、無損傷傳感方面擁有巨大的的潛力，引起了學界極大的研究興趣。儘管該領域已經開展了大量研究工作，但片上波導集成傳感系統的實現迄今為止進展緩慢。硅與HgCdTe、 Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ等常用探測材料的巨大晶格失配是阻礙其集成的關鍵瓶頸。該文章實現了硅（SOI）波導與黑磷（BP）光電探測器的集成。在BP的截止波長工作時，利用硅波導和光柵結構中的光約束，克服了BP厚度對吸收長度的限制，增強了光與BP的相互作用。文章比較了不同晶向和厚度的BP器件的響應度和噪聲等效功率（NEP），研究了3.68~4.03μm的光譜響應。此外，還研究了響應率與功率關係和柵可調諧光電流。在1V的偏壓下，BP光電探測器在3.68μm和4μm處的響應度分別為23A/W和2A/W，室溫下的NEP小於1Nw/Hz1/2。無源硅光子學和有源BP光電探測器的集成有望為MIR片上集成系統的實現提供一條潛在的途徑。
原文鏈接：Huang, L.; Dong, B.; Guo, X.; Chang, Y.; Chen, N.; Huang, X.; Liao, W.; Zhu, C.; Wang, H.; Lee, C.; Ang, K.-W., Waveguide-Integrated Black Phosphorus Photodetector for Mid-Infrared Applications. ACS Nano 2019, 13 (1), 913-921.（10.1021/acsnano.8b08758）
圖10 波導集成黑磷光電探測器結構
ACS Nano：應用於 1T’-MoSe2生長的Au（111）界面設計10
二維過渡金屬硫化物（TMDCs）的相控合成備受關注，因為TMDCs的不同相具有截然不同的性質。然而，由於金屬相 Ⅵ族TMDCs的亞穩定性使得製備金屬相非常困難。在單層水平上，界面設計可以用來穩定亞穩相。該文章通過分子束外延證明了單層1H-或1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長，利用掃描隧道顯微鏡和光譜可以清楚地區分這兩個相。1H- MoSe2偏好於在Au（111）上生長，1T’-MoSe2偏好於在預先沉積有Se的Au（111）上生長。襯底預處理方法同樣適用於其它Ⅵ族TMDCs在Au（111）上的相控外延生長。
原文鏈接：Cheng, F.; Hu, Z.; Xu, H.; Shao, Y.; Su, J.; Chen, Z.; Ji, W.; Loh, K. P., Interface Engineering of Au(111) for the Growth of 1T′-MoSe2. ACS Nano 2019, 13 (2), 2316-2323.（10.1021/acsnano.8b09054）
圖11 1H-和1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長
5 韓國三星綜合技術院
韓國三星綜合技術院（Samsung Advanced Institute of Technology，SAIT）隸屬於三星集團探索與發展事業集群，建立宗旨是“無限探求”（Boudless research for breakthrough）前沿科技，其核心使命包括：（1）為新市場研究領先的或原創技術；（2）促進技術融合創新；（3）推動納米科技發展；（4）研究顛覆性技術。SAIT同時也是包括三星電子在內的整個三星集團首席技術顧問，為整個集團研發策略負責。韓國石墨烯產業發展產學研結合緊密，在基礎研究及產業化方面發展較為均衡，特別是在產業企業層面，SAIT投入了巨大研發力量，保證了其在石墨烯應用於柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領域的國際領先地位。據SAIT官網數據統計，2019年，SAIT累計發文24篇，令人驚訝的是2D材料相關論文僅2篇，一篇關於二硫化鉬憶阻器，發表於ACS Nano，一篇關於碳納米管柔性傳感器11，發表於Nature Communication。事實上，三星綜合技術院在高密度快充鋰離子電池的石墨烯基解決方案持續深耕多年。2017年，Nature Communication報道了三星基於石墨烯球的高密度快充鋰離子電池成果12；最近，Graphene –info網傳三星擬在明年將該技術應用於旗下智能手機中，且充電速度達到傳統鋰電池5倍。今年年內，未見SAIT在相關方向發表論文，有可能是處於商業機密的原因。三星綜合技術院在石墨烯應用研究領域務實推進的策略值得國內學習。
Nature Communications：石墨烯球助力高能量密度、快充鋰電池12
對於鋰電池，在不犧牲其他特性的前提下改善某種性能是一個挑戰。該文章報道了一種化學氣相沉積法生長的石墨烯球：石墨烯-二氧化硅組裝體。其以氧化硅納米顆粒為中心的分層三維結構，使得即使是1wt%的石墨烯球也可通過可伸縮Nobilta研磨工藝均勻地塗覆在富鎳層狀陰極上。石墨烯球塗層可抑制有害的副反應，並提供有效的導電途徑，顯著提高了電池循環壽命和快充能力。石墨烯球本身也可用作比容量為716.2 mAhg−1的陽極材料。與不含石墨烯球的電池相比，含石墨烯球電池的能量密度增加了27.6%，展示了在商業電池中實現800 WhL-1的可能性，以及500次循環後保持78.6%容量的高循環性。
原文鏈接：Son, I. H.; Park, J. H.; Park, S.; Park, K.; Han, S.; Shin, J.; Doo, S.-G.; Hwang, Y.; Chang, H.; Choi, J. W., Graphene balls for lithium rechargeable batteries with fast charging and high volumetric energy densities. Nature Communications 2017, 8 (1), 1561.（10.1038/s41467-017-01823-7）
圖12 二氧化硅納米顆粒上石墨烯小球生長示意圖
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制
控制熱輻射是諸多應用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導體中，通過電磁局域態密度可以對熱發射譜進行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩定，制約了輻射效率的提高和熱電應用。該文章報道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩定熱發射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經過局域態密度設計過的基底的熱解耦為熱發射控制開闢了廣闊的設計空間，這對於傳統加熱的納米尺度圖案化金屬或半導體材料來說是幾乎不可能的。
原文鏈接：Shiue, R.-J.; Gao, Y.; Tan, C.; Peng, C.; Zheng, J.; Efetov, D. K.; Kim, Y. D.; Hone, J.; Englund, D., Thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. Nature Communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）
圖8 空腔石墨烯熱發射器件和工作原理
4 新加坡國立大學先進二維材料研究中心
新加坡國立大學先進二維材料研究中心（The NUS Centre for Advanced 2D Materials，CA2DM）與曼大NGI和劍橋CGC類似，是一所在2D材料發展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在從概念、表徵、理論建模和應用等全方位探索和跟進2D材料所帶來的革命性技術，因此，CA2DM分為四個大的研究組：（1）石墨烯組；（2）其他2D材料組；（3）2D器件組合；（4）理論組。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料綜合研究中心，在基於2D材料的基礎科學研究和產業化應用方面走在亞洲國家前列。CA2DM主攻的研究方向見下表。
2019年，CA2DM累計發文96篇，Nature正刊1篇、NS子刊、Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS系列等頂刊近40篇，發文幾乎涵蓋上述各個研究方向，下面僅羅列部分代表作。
Nature Nanotechnology：襯底紋波增強2D材料晶體管性能8
二維過渡金屬二羥基化合物（TMD）材料雖然在電子學和光電領域有很好的應用前景，但自然環境下的低遷移率限制了其應用。學界不斷在探索提高器件性能途徑，如對電極、柵介質等進行改進、h-BN封裝，但是改善的程度有限。該文章通過改變襯底的表面形貌實現了自然環境條件下TMD場效應晶體管性能2個數量級飛躍，而且飽和電流非常高。該文章認為是機械應力導致了該提升，因為陰曆對局域能隙、量子發射特性等均有影響。通過對不同介電材料和形貌的綜合研究，研究人員證明，襯底的波紋度增加及其產生的應變場是導致TMD晶體管性能提高的主要因素。這一策略對於其它半導體TMD材料，普遍適用性，為異質集成電子學開闢了新的途徑。
原文鏈接：Liu, T.; Liu, S.; Tu, K.-H.; Schmidt, H.; Chu, L.; Xiang, D.; Martin, J.; Eda, G.; Ross, C. A.; Garaj, S., Crested two-dimensional transistors. Nature Nanotechnology 2019, 14 (3), 223-226.（10.1038/s41565-019-0361-x）
圖9 在c-SiNx襯底上的高性能MoS2 FET
ACS Nano：用於中紅外應用的波導集成黑磷光電探測器9
中紅外（MIR）覆蓋了眾多的分子振動指紋，在無標記、無損傷傳感方面擁有巨大的的潛力，引起了學界極大的研究興趣。儘管該領域已經開展了大量研究工作，但片上波導集成傳感系統的實現迄今為止進展緩慢。硅與HgCdTe、 Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ等常用探測材料的巨大晶格失配是阻礙其集成的關鍵瓶頸。該文章實現了硅（SOI）波導與黑磷（BP）光電探測器的集成。在BP的截止波長工作時，利用硅波導和光柵結構中的光約束，克服了BP厚度對吸收長度的限制，增強了光與BP的相互作用。文章比較了不同晶向和厚度的BP器件的響應度和噪聲等效功率（NEP），研究了3.68~4.03μm的光譜響應。此外，還研究了響應率與功率關係和柵可調諧光電流。在1V的偏壓下，BP光電探測器在3.68μm和4μm處的響應度分別為23A/W和2A/W，室溫下的NEP小於1Nw/Hz1/2。無源硅光子學和有源BP光電探測器的集成有望為MIR片上集成系統的實現提供一條潛在的途徑。
原文鏈接：Huang, L.; Dong, B.; Guo, X.; Chang, Y.; Chen, N.; Huang, X.; Liao, W.; Zhu, C.; Wang, H.; Lee, C.; Ang, K.-W., Waveguide-Integrated Black Phosphorus Photodetector for Mid-Infrared Applications. ACS Nano 2019, 13 (1), 913-921.（10.1021/acsnano.8b08758）
圖10 波導集成黑磷光電探測器結構
ACS Nano：應用於 1T’-MoSe2生長的Au（111）界面設計10
二維過渡金屬硫化物（TMDCs）的相控合成備受關注，因為TMDCs的不同相具有截然不同的性質。然而，由於金屬相 Ⅵ族TMDCs的亞穩定性使得製備金屬相非常困難。在單層水平上，界面設計可以用來穩定亞穩相。該文章通過分子束外延證明了單層1H-或1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長，利用掃描隧道顯微鏡和光譜可以清楚地區分這兩個相。1H- MoSe2偏好於在Au（111）上生長，1T’-MoSe2偏好於在預先沉積有Se的Au（111）上生長。襯底預處理方法同樣適用於其它Ⅵ族TMDCs在Au（111）上的相控外延生長。
原文鏈接：Cheng, F.; Hu, Z.; Xu, H.; Shao, Y.; Su, J.; Chen, Z.; Ji, W.; Loh, K. P., Interface Engineering of Au(111) for the Growth of 1T′-MoSe2. ACS Nano 2019, 13 (2), 2316-2323.（10.1021/acsnano.8b09054）
圖11 1H-和1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長
5 韓國三星綜合技術院
韓國三星綜合技術院（Samsung Advanced Institute of Technology，SAIT）隸屬於三星集團探索與發展事業集群，建立宗旨是“無限探求”（Boudless research for breakthrough）前沿科技，其核心使命包括：（1）為新市場研究領先的或原創技術；（2）促進技術融合創新；（3）推動納米科技發展；（4）研究顛覆性技術。SAIT同時也是包括三星電子在內的整個三星集團首席技術顧問，為整個集團研發策略負責。韓國石墨烯產業發展產學研結合緊密，在基礎研究及產業化方面發展較為均衡，特別是在產業企業層面，SAIT投入了巨大研發力量，保證了其在石墨烯應用於柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領域的國際領先地位。據SAIT官網數據統計，2019年，SAIT累計發文24篇，令人驚訝的是2D材料相關論文僅2篇，一篇關於二硫化鉬憶阻器，發表於ACS Nano，一篇關於碳納米管柔性傳感器11，發表於Nature Communication。事實上，三星綜合技術院在高密度快充鋰離子電池的石墨烯基解決方案持續深耕多年。2017年，Nature Communication報道了三星基於石墨烯球的高密度快充鋰離子電池成果12；最近，Graphene –info網傳三星擬在明年將該技術應用於旗下智能手機中，且充電速度達到傳統鋰電池5倍。今年年內，未見SAIT在相關方向發表論文，有可能是處於商業機密的原因。三星綜合技術院在石墨烯應用研究領域務實推進的策略值得國內學習。
Nature Communications：石墨烯球助力高能量密度、快充鋰電池12
對於鋰電池，在不犧牲其他特性的前提下改善某種性能是一個挑戰。該文章報道了一種化學氣相沉積法生長的石墨烯球：石墨烯-二氧化硅組裝體。其以氧化硅納米顆粒為中心的分層三維結構，使得即使是1wt%的石墨烯球也可通過可伸縮Nobilta研磨工藝均勻地塗覆在富鎳層狀陰極上。石墨烯球塗層可抑制有害的副反應，並提供有效的導電途徑，顯著提高了電池循環壽命和快充能力。石墨烯球本身也可用作比容量為716.2 mAhg−1的陽極材料。與不含石墨烯球的電池相比，含石墨烯球電池的能量密度增加了27.6%，展示了在商業電池中實現800 WhL-1的可能性，以及500次循環後保持78.6%容量的高循環性。
原文鏈接：Son, I. H.; Park, J. H.; Park, S.; Park, K.; Han, S.; Shin, J.; Doo, S.-G.; Hwang, Y.; Chang, H.; Choi, J. W., Graphene balls for lithium rechargeable batteries with fast charging and high volumetric energy densities. Nature Communications 2017, 8 (1), 1561.（10.1038/s41467-017-01823-7）
圖12 二氧化硅納米顆粒上石墨烯小球生長示意圖
圖13 石墨烯球SEM圖
石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004 年問世以來，就迅速吸引了世界範圍內的廣泛關注和研究興趣。儘管已經15年過去，但是，石墨烯以及相關二維材料的研究依然熱度不減，新興研究領域不斷被開拓。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能於一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地，世界各國紛紛成立石墨烯研究中心，開始一場圍繞新材料的“科技競賽”，誰掌握了二維材料的技術，誰就有可能掌握通向未來之門的鑰匙。本文著重梳理以曼徹斯特石墨烯國家研究院為首的五所世界頂尖石墨烯研究中心所聚焦的重點研究方向以及19年來這些研究中心的成果產出，為國內二維材料的研究方向選擇以及未來新材料產業發展重點提供有價值參考。
1 曼徹斯特石墨烯國家研究院
石墨烯問世於曼徹斯特大學，曼大石墨烯國家研究中心（National Graphene Insttitute，NGI）是當前英國乃至世界石墨烯相關研究的策源地。NGI核心使命在於不斷開拓二維（2D）材料科學與應用前沿領域，兼顧石墨烯以及二維材料產業化、商業化。以NGI為中心，石墨烯工程創新研究中心（Graphene Engineering Innovation Centre, GEIC）和Henry Royce研究院承接和發展NGI研究成果，不斷探索二維材料商業應用新模式。NGI匯聚了一批世界頂級科學家，包括石墨烯之父Andre Geim和Kostya Novoselov、理論物理學家Vladimir Falko、材料學家Ian Kinloch、Sarah Haigh、Rahul Raveendran Nair等等，研究方向涵蓋凝聚態物理、介觀物理與納米技術、納米功能材料、光子學、納米醫學、通信應用等多學科領域。作為2D材料領域的先驅，NGI發揮著思想引擎的作用，引領2D材料研究的新方向。NGI目前主要聚焦九大研究熱點，見下表。
2019年，NGI累積發表論文近60篇，其中NS正刊5篇、大子刊3篇，Nature Communication、ACS系列等頂刊累計約19篇。統計發現，NGI近半數新發頂刊研究內容與2D材料異質結關聯，主要報道異質結構中二維材料中新奇或反常電子流體和光電現象，重點聚焦基礎物理領域。
Science：測量石墨烯電子流體的霍爾粘度1
處於磁場中的導體流過電流時會出現霍爾效應。但是，霍爾粘度，一個很久以來就被理論所確定的無耗散係數，在實驗上卻很難實現觀測或測量。該文章報道了高粘性電子體系所觀測的結果與標準霍爾效應行為的定性偏差。進一步的研究表明，石墨烯中的粘性電子流體產生一個與標準霍爾效應所生成電場相反的電場來響應非量化磁場。粘性的貢獻是顯著的且已被確認。研究人員通過大溫區內反常行為的分析，提取出了學界尋找已久的霍爾粘度。
原文鏈接：Berdyugin A I, Xu S G, Pellegrino F M D. Measuring Hall viscosity of graphene’s electron fluid[J]. Science, 2019, 364(6436): 162. （DOI:10.1126/science.aau0685）
圖1 磁場對粘性電子流體的影響。
（A，B）靠近電流注入點理論石墨烯電子流體電勢分佈；（C）普通霍爾效應對圖B的貢獻；（d）霍爾粘性對圖B的貢獻；（e）其中一個測試樣品的光學圖片和VR測試示意圖；（f）不同磁場下VR測試結果。
Nature：在範德瓦爾斯異質結構中莫爾超晶格中的共振雜化激子2
原子級2D材料通過範德華力進行垂直堆疊組裝，可以使來自不同2D材料的單原子層通過晶格失配和任意轉角耦合，從而形成莫爾超晶格。在Gra/h-BN超晶格中已經觀察到了石墨烯能帶打開微小的帶隙。在旋轉Gra/Gra雙層結構中，由於層間共振，該效應更加顯著，並使得在魔角出現超導-絕緣轉變。該文章通過組裝單層MoSe2和WS2半導體異質結構，證明了激子能帶可以雜化，並導致莫爾超晶格效應共振增強。選擇MoSe2和WS2的原因是二者的導帶邊緣都是接近簡併的，非常相似。當激子能量以層間轉角週期性移動，雜化現象出現。該發現為異質結半導體器件的能帶結構設計提供了新的策略。
原文鏈接：Alexeev E M, Ruiz-Tijerina D A, Danovich M. Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures[J]. Nature, 2019, 567(7746): 81-86. （DOI：10.1038/s41586-019-0986-9）
圖2 MoSe2和WS2異質結樣品；MoSe2和WS2能帶結構與布里淵區對準；吸收譜與轉角的關係。
Nature nanotechnology：二維狄拉克材料中的強烈紅外與太赫茲磁光效應3
當二維電子氣（2DEGs）放置在磁場中，電子在不同的朗道能級之間躍遷而吸收電磁波。理論預測，狄拉克材料，如石墨烯，具有非常高的紅外吸收。但是，已有試驗報道結果中，該磁光效應異常微弱，其主要原因是樣品中不可避免的缺陷導致。該文章中，研究人員自制磁-紅外顯微光譜測量系統，使用高遷移率h-BN包覆石墨烯樣品，測量磁傳輸與法拉第旋轉。研究發現在紅外和太赫茲段出現強烈的磁光活動，包括吸收接近50%這個極限、100%磁圓形二項色性和高法拉第旋轉。該發現證明2D狄拉克材料通過磁調諧在長波長光電器件和等離激元器件中的應用潛力。
原文鏈接：Nedoliuk I O, Hu S, Geim A K. Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material[J]. Nature nanotechnology, 2019, 14(8): 756-761.（10.1038/s41565-019-0489-8）
圖3 高遷移率h-BN包覆石墨烯中帶內朗道能級躍遷。
(a) 理論朗道能級與磁場的關係；(b) 磁光試驗系統示意圖；(c) 試驗樣品光學照片；(d) 磁透射譜；(e) 磁透射與磁場和光子能量的關係；(f) 4.17T吸收譜
2 劍橋石墨烯研究中心
劍橋石墨烯研究中心（Cambrige Graphene Centre，CGC）同曼大NGI一樣是英國石墨烯協同創新組織的一部分。CGC的定位是工程創新中心，主要任務是橋接學界和工業界，推動石墨烯及2D材料的產業化，重點強調2D材料相關的應用。投資CGC的主要目的在於填補兩個方面的空白：（1）面向工業生產，研究中試工藝設備體系，測試與優化基於石墨烯、納米材料以及其他新型2D材料的噴墨打印技術；（2）面向自供能、無線互聯等對能源存儲的要求，研究基於透明柔性基地的智能集成器件。利用石墨烯和其他相關材料賦能新型柔性、節能電子、光電器件是上述工作面臨的核心挑戰。為逐步攻克上述難關，CGC從四個大方向佈局2D材料相關研究：（1）材料的生長、轉移和打印；（2）能源應用；（3）器件互聯；（4）傳感器應用。目前，在2D材料領域比較活躍的課題組主要有：
（1）聚焦納米材料生長和仿生功能器件的Hofman課題組；
（2）聚焦於CNT、2D材料非線性光學在光子器件應用的納米材料與光譜課題組（NMS）；
（3）聚焦於2D材料油墨和可打印功能器件的混合納米材料工程應用研究組（Hybrid Nanomaterials Engineering）。
2019年，上述課題組累計發文近30篇，其中Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS系列等頂刊近11篇，發文熱點主要集中在2D材料的生長和轉移、2D材料噴墨打印功能器件這兩個領域。
ACS Nano：面向集成製造的大面積單層六方氮化硼轉移方法4
h-BN之外唯一已知的結構由簡單、穩定、單原子薄層構成的材料。歷史上，h-BN被用作粉末形式的潤滑劑，但它在原子級薄層絕緣體、屏障或封裝等方面特別有吸引力。實際上，幾乎所有新興的電子和光子器件概念目前都依賴於從小體積微晶中剝離出來的h-BN，這限制了器件尺寸和工藝可擴展性。為了解決這個問題，該文章重點聚焦在對Pt催化h-BN晶體形成的系統認識，通過集成化學氣相沉積（CVD）工藝解決單層h-BN在集成工藝中面臨的挑戰，該工藝使h-BN單晶尺寸超過0.5 mm，並在45分鐘內連續生長形成原子級連續薄膜。該工藝利用了商用的可重複使用的鉑箔，並允許通過剝離的方式簡單幹淨地轉移h-BN。該文章展示了在原子層精確順序拾取組裝石墨烯/h-BN異質結構的過程中，並且儘量減少界面汙染。這種方法可以很容易地與其他層狀材料相結合，並且能夠將CVD h-BN集成到高質量、可靠的2d材料器件層堆棧中
原文鏈接：Wang R, Purdie D G, Fan Y. A Peeling Approach for Integrated Manufacturing of Large Monolayer h-BN Crystals[J]. ACS NANO, 2019, 13(2): 2114-2126.（10.1021/acsnano.8b08712）
圖4 h-BN CVD生長和異質結轉移堆疊過程
Advanced Functional Materials：在任意3D表面上保形打印石墨烯器件5
印刷作為石墨烯油墨低成本、高通量圖案化的一種手段，已經引起了很多關注。然而，傳統的印刷工藝需要平坦的表面，並且不能在3D物體上實現圖案化。該文章提出了在任意形狀表面上實現功能石墨烯圖形的保形打印方法。首先配製具有最佳導電性的不溶性石墨烯墨水，然後使用常規絲網印刷將單層和多層電功能結構印刷到犧牲層上，接著將印刷品轉移到水上，使犧牲層溶解，同時保留功能圖案，最後將單層和多層圖圖案化器件直接轉移到任意形狀的3D物體上。使用這種技術，可以在硬質、柔性質基材（如玻璃，乳膠，熱塑性塑料，紡織品，甚至糖果和棉花糖）上進行功能器件的保形印刷，包括焦耳加熱器，應變傳感器和臨近傳感器。這種簡單的策略有望為傳統3D表面添加新的設備和傳感功能。
原文鏈接：Ng L W T, Zhu X, Hu G. Conformal Printing of Graphene for Single- and Multilayered Devices onto Arbitrarily Shaped 3D Surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 0(0): 1807933.（10.1002/adfm.201807933）
圖5 不同3D物體上的保形印刷
3 西班牙光電科學研究所
西班牙光電科學研究所（The Institute of Photonic Science, ICFO）是一所專注於光電研究的世界級研究中心，網羅世界範圍內高端光電領域基礎與應用研究科學家，立志於解決光電前沿領域的未知問題，推動先進光電技術的應用。鑑於石墨烯和2D材料的新奇光電特性以及飛速發展，與量子和納米生物學並列，ICFO獨立開闢石墨烯和2D材料研究新板塊，希望利用2D材料替代傳統光電材料，解決當前光電領域所面臨的困難和挑戰。基礎科學探索與新興應用研究並舉，ICFO在基礎科學和在新興應用分別確立了四大探索研究方向。
在能源方面，ICFO旨在探索石墨烯在半透明光伏器件中的可行應用途徑，並通過新型功能材料和納米結構的應用研發可再生能源器件。在高精傳感方面，ICFO的研究重點是基於石墨烯納機電振子的超分辨質譜儀和光力系統，並行開展基於石墨烯的中紅外探測器、氣體探測器和應用於DNA、蛋白質等的生化傳感器。在表面等離激元光子學方面，主要研究石墨烯等離激元的電調控與探測、基於石墨烯等離激元的光調製等等。在基礎光學方面，主要研究納米量子光學、人造石墨烯、超快光學以及石墨烯非線性光學等。在成像系統應用方面，ICFO主要研究能夠覆蓋深紫外-可見光-紅外的基於COMS工藝圖像傳感器。在可穿戴應用方面，主要研究柔性、半透明的健康檢測系統，能夠有效檢測血氧等多健康參量。在光電探測器方面，主要研究基於寬帶吸收的超寬帶探測器以及結合石墨烯、量子點和其他2D材料的集成探測器。在柔性傳感器方面，主要研究石墨烯和其他2D材料賦能的柔性傳感器，包括光學傳感器、RFID、生化傳感器、氣體傳感器、柔性屏和抗菌、超潤滑表面等。
2019年，上述課題組累計發文15篇，Nature、PRL、ACS系列等頂刊近6篇，發文熱點主要集中在二維材料納機電振子、魔角石墨烯和石墨烯光電領域，
Nature：魔角雙層石墨烯中的超導體、軌道磁體和相關態6
超導電性通常發生在接近對稱性破壞的母態附近，在摻雜磁性絕緣體中尤為常見。當扭曲相對方位角接近1°時，雙層石墨烯具有平坦的莫爾超晶格微小帶隙，這些微帶已成為一種豐富且高度可調的強相關物理源，特別是在靠近相互作用誘導絕緣態時超導電性出現。該為文章報道了具有非常均勻轉角的雙層石墨烯器件的製備，發現轉角無序的減少揭示了四重自旋/谷簡併的所有整數佔據下的絕緣態，還觀察到三個新的低溫下超導穹頂。
該研究表明對稱破缺態、相互作用驅動絕緣體和超導穹頂在整個莫爾微帶都很常見，包括在近電荷中性的情況下。
原文鏈接：Lu X, Stepanov P, Yang W. Superconductors, Orbital Magnets, and Correlated States in Magic Angle Bilayer Graphene[J]. eprint arXiv:1903.06513, 2019.
圖6 整數填充相關態與新型超導穹頂
Nano Letter：二維MoSe2晶格熱輸運的光機測量7
納米機械諧振器常用於開發超高靈敏度傳感器。超高感知能力為凝聚態物質的熱力學性質研究提供了新的可能性。該文章使用力學感知作為一種新方法來測量低維材料的熱性能。該文章測量了單原子層MoSe2導熱係數和比熱容隨溫度的變化，直到低溫，這是迄今為止仍然空白的領域。測量結果展示了二維繫統中聲子是如何傳遞熱量的。熱導率和比熱容的測量結果與基於第一性原理的預測結果一致。
原文鏈接：Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019, 19 (5), 3143-3150.（10.1021/acs.nanolett.9b00560）
圖7用於熱輸運測量的光機器件結構及工作原理
Nature Communications：光子晶體納米微腔中石墨烯熱電子的熱輻射控制
控制熱輻射是諸多應用的核心，包括傳感、能量收集和照明。在納米尺度圖案化金屬和半導體中，通過電磁局域態密度可以對熱發射譜進行較大修正。然而，這些材料在高溫下變得不穩定，制約了輻射效率的提高和熱電應用。該文章報道了與光子晶體納米微腔耦合的石墨烯中的熱電子（2000 K）的高溫穩定熱發射。石墨烯中的電子與晶格聲子高度解耦，使得光子晶體納米微腔獲得僅700K的冷卻溫度。這種熱電子與經過局域態密度設計過的基底的熱解耦為熱發射控制開闢了廣闊的設計空間，這對於傳統加熱的納米尺度圖案化金屬或半導體材料來說是幾乎不可能的。
原文鏈接：Shiue, R.-J.; Gao, Y.; Tan, C.; Peng, C.; Zheng, J.; Efetov, D. K.; Kim, Y. D.; Hone, J.; Englund, D., Thermal radiation control from hot graphene electrons coupled to a photonic crystal nanocavity. Nature Communications 2019, 10 (1), 109.（10.1038/s41467-018-08047-3）
圖8 空腔石墨烯熱發射器件和工作原理
4 新加坡國立大學先進二維材料研究中心
新加坡國立大學先進二維材料研究中心（The NUS Centre for Advanced 2D Materials，CA2DM）與曼大NGI和劍橋CGC類似，是一所在2D材料發展浪潮的助推下成立的新研究中心，旨在從概念、表徵、理論建模和應用等全方位探索和跟進2D材料所帶來的革命性技術，因此，CA2DM分為四個大的研究組：（1）石墨烯組；（2）其他2D材料組；（3）2D器件組合；（4）理論組。CA2DM目前是新加坡最大的2D材料綜合研究中心，在基於2D材料的基礎科學研究和產業化應用方面走在亞洲國家前列。CA2DM主攻的研究方向見下表。
2019年，CA2DM累計發文96篇，Nature正刊1篇、NS子刊、Advanced Materails, Advanced Energy Materials, Nano Energy, ACS系列等頂刊近40篇，發文幾乎涵蓋上述各個研究方向，下面僅羅列部分代表作。
Nature Nanotechnology：襯底紋波增強2D材料晶體管性能8
二維過渡金屬二羥基化合物（TMD）材料雖然在電子學和光電領域有很好的應用前景，但自然環境下的低遷移率限制了其應用。學界不斷在探索提高器件性能途徑，如對電極、柵介質等進行改進、h-BN封裝，但是改善的程度有限。該文章通過改變襯底的表面形貌實現了自然環境條件下TMD場效應晶體管性能2個數量級飛躍，而且飽和電流非常高。該文章認為是機械應力導致了該提升，因為陰曆對局域能隙、量子發射特性等均有影響。通過對不同介電材料和形貌的綜合研究，研究人員證明，襯底的波紋度增加及其產生的應變場是導致TMD晶體管性能提高的主要因素。這一策略對於其它半導體TMD材料，普遍適用性，為異質集成電子學開闢了新的途徑。
原文鏈接：Liu, T.; Liu, S.; Tu, K.-H.; Schmidt, H.; Chu, L.; Xiang, D.; Martin, J.; Eda, G.; Ross, C. A.; Garaj, S., Crested two-dimensional transistors. Nature Nanotechnology 2019, 14 (3), 223-226.（10.1038/s41565-019-0361-x）
圖9 在c-SiNx襯底上的高性能MoS2 FET
ACS Nano：用於中紅外應用的波導集成黑磷光電探測器9
中紅外（MIR）覆蓋了眾多的分子振動指紋，在無標記、無損傷傳感方面擁有巨大的的潛力，引起了學界極大的研究興趣。儘管該領域已經開展了大量研究工作，但片上波導集成傳感系統的實現迄今為止進展緩慢。硅與HgCdTe、 Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ等常用探測材料的巨大晶格失配是阻礙其集成的關鍵瓶頸。該文章實現了硅（SOI）波導與黑磷（BP）光電探測器的集成。在BP的截止波長工作時，利用硅波導和光柵結構中的光約束，克服了BP厚度對吸收長度的限制，增強了光與BP的相互作用。文章比較了不同晶向和厚度的BP器件的響應度和噪聲等效功率（NEP），研究了3.68~4.03μm的光譜響應。此外，還研究了響應率與功率關係和柵可調諧光電流。在1V的偏壓下，BP光電探測器在3.68μm和4μm處的響應度分別為23A/W和2A/W，室溫下的NEP小於1Nw/Hz1/2。無源硅光子學和有源BP光電探測器的集成有望為MIR片上集成系統的實現提供一條潛在的途徑。
原文鏈接：Huang, L.; Dong, B.; Guo, X.; Chang, Y.; Chen, N.; Huang, X.; Liao, W.; Zhu, C.; Wang, H.; Lee, C.; Ang, K.-W., Waveguide-Integrated Black Phosphorus Photodetector for Mid-Infrared Applications. ACS Nano 2019, 13 (1), 913-921.（10.1021/acsnano.8b08758）
圖10 波導集成黑磷光電探測器結構
ACS Nano：應用於 1T’-MoSe2生長的Au（111）界面設計10
二維過渡金屬硫化物（TMDCs）的相控合成備受關注，因為TMDCs的不同相具有截然不同的性質。然而，由於金屬相 Ⅵ族TMDCs的亞穩定性使得製備金屬相非常困難。在單層水平上，界面設計可以用來穩定亞穩相。該文章通過分子束外延證明了單層1H-或1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長，利用掃描隧道顯微鏡和光譜可以清楚地區分這兩個相。1H- MoSe2偏好於在Au（111）上生長，1T’-MoSe2偏好於在預先沉積有Se的Au（111）上生長。襯底預處理方法同樣適用於其它Ⅵ族TMDCs在Au（111）上的相控外延生長。
原文鏈接：Cheng, F.; Hu, Z.; Xu, H.; Shao, Y.; Su, J.; Chen, Z.; Ji, W.; Loh, K. P., Interface Engineering of Au(111) for the Growth of 1T′-MoSe2. ACS Nano 2019, 13 (2), 2316-2323.（10.1021/acsnano.8b09054）
圖11 1H-和1T’-MoSe2在Au（111）上的選擇性生長
5 韓國三星綜合技術院
韓國三星綜合技術院（Samsung Advanced Institute of Technology，SAIT）隸屬於三星集團探索與發展事業集群，建立宗旨是“無限探求”（Boudless research for breakthrough）前沿科技，其核心使命包括：（1）為新市場研究領先的或原創技術；（2）促進技術融合創新；（3）推動納米科技發展；（4）研究顛覆性技術。SAIT同時也是包括三星電子在內的整個三星集團首席技術顧問，為整個集團研發策略負責。韓國石墨烯產業發展產學研結合緊密，在基礎研究及產業化方面發展較為均衡，特別是在產業企業層面，SAIT投入了巨大研發力量，保證了其在石墨烯應用於柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領域的國際領先地位。據SAIT官網數據統計，2019年，SAIT累計發文24篇，令人驚訝的是2D材料相關論文僅2篇，一篇關於二硫化鉬憶阻器，發表於ACS Nano，一篇關於碳納米管柔性傳感器11，發表於Nature Communication。事實上，三星綜合技術院在高密度快充鋰離子電池的石墨烯基解決方案持續深耕多年。2017年，Nature Communication報道了三星基於石墨烯球的高密度快充鋰離子電池成果12；最近，Graphene –info網傳三星擬在明年將該技術應用於旗下智能手機中，且充電速度達到傳統鋰電池5倍。今年年內，未見SAIT在相關方向發表論文，有可能是處於商業機密的原因。三星綜合技術院在石墨烯應用研究領域務實推進的策略值得國內學習。
Nature Communications：石墨烯球助力高能量密度、快充鋰電池12
對於鋰電池，在不犧牲其他特性的前提下改善某種性能是一個挑戰。該文章報道了一種化學氣相沉積法生長的石墨烯球：石墨烯-二氧化硅組裝體。其以氧化硅納米顆粒為中心的分層三維結構，使得即使是1wt%的石墨烯球也可通過可伸縮Nobilta研磨工藝均勻地塗覆在富鎳層狀陰極上。石墨烯球塗層可抑制有害的副反應，並提供有效的導電途徑，顯著提高了電池循環壽命和快充能力。石墨烯球本身也可用作比容量為716.2 mAhg−1的陽極材料。與不含石墨烯球的電池相比，含石墨烯球電池的能量密度增加了27.6%，展示了在商業電池中實現800 WhL-1的可能性，以及500次循環後保持78.6%容量的高循環性。
原文鏈接：Son, I. H.; Park, J. H.; Park, S.; Park, K.; Han, S.; Shin, J.; Doo, S.-G.; Hwang, Y.; Chang, H.; Choi, J. W., Graphene balls for lithium rechargeable batteries with fast charging and high volumetric energy densities. Nature Communications 2017, 8 (1), 1561.（10.1038/s41467-017-01823-7）
圖12 二氧化硅納米顆粒上石墨烯小球生長示意圖
圖13 石墨烯球SEM圖
參考文獻
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- Morell, N.; Tepsic, S.; Reserbat-Plantey, A.; Cepellotti, A.; Manca, M.; Epstein, I.; Isacsson, A.; Marie, X.; Mauri, F.; Bachtold, A., Optomechanical Measurement of Thermal Transport in Two-Dimensional MoSe2 Lattices. Nano Letters 2019,19(5), 3143-3150.
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- Son, I. H.; Park, J. H.; Park, S.; Park, K.; Han, S.; Shin, J.; Doo, S.-G.; Hwang, Y.; Chang, H.; Choi, J. W., Graphene balls for lithium rechargeable batteries with fast charging and high volumetric energy densities. Nature Communications 2017,8(1), 1561.
來源：材料牛