石墨烯(纳米)材料研究中心

与天津大学纳米颗粒与纳米系统国际研究中心合作共建，落地建设为天津大学（烟台）石墨烯（纳米）新材料联合实验室。合作双方已于2019年8月就联合实验室的共建事宜达成一致，筹建工作正在有序展开。

1.合作机构：

天津大学纳米颗粒与纳米系统国际研究中心由天津大学于2015年10月批准建立，是直属于天津大学的一个新型国际化教学与科研机构。中心现拥有一支由来自6个国家的14名专家组成的研究队伍，其中全职固定成员包括Walt de Heer 教授， 马雷教授， Markus Kindermann教授和Klavs Hansen教授，国际合作成员包括Bernd von issendorff教授（德国），Hannu Häkkinen教授（芬兰科学院院士）， Claire Berger教授（美国/法国）， 周美英教授（美国）， Ted Norris 教授（美国），Elisa Riedo教授（美国）、江志刚教授（美国）和Thomas Leisner教授（德国）、许晓山教授（美国）等在内的11名专家教授（每人每年在中心工作1-6个月不等）。 到目前为止，中心成员共发表42篇Science， 68篇Nature本刊及系列期刊147篇Physics review letters和超过100篇JACS等。

作为天津大学的新型国际化研究平台，纳米颗粒与纳米系统国际研究中心具备高水平的实验条件，已投入使用的实验仪器包括低温STM（PanScan，9K-300K）， AFM（EFM、MFM、PFM、SKPM、FMM、STM、液体探针、扫描化学探针）， SEM (Hitachi 3500 具备E-BEAM LITHOGRAPHY)， 激光直写仪（MircroWriter）， MultiView 4000、Nanonics 低温集成探针系统、ALD、电子束蒸镀、oxford低温强磁输运系统（14T）、LakeShore低温探针台等大型设备。同时正在搭建一整套低温强磁电子输运和自旋电子学测试系统、设计建造一套用于团簇及小分子研究的集角分辨激光光电子能谱和高分辨质谱于一体的综合谱仪，以及一部具有3D位置灵敏飞行时间谱仪探测器的新一代交叉分子/团簇束谱仪。

2.科研领军人物：

Walt de Heer教授，物理学家，现为美国佐治亚理工学院董事会教授、天津大学纳米颗粒与纳米系统国际研究中心主任。由于其在石墨烯电子学方面的开拓性工作及团簇物理方面的杰出贡献而蝉声国际物理学界。总引用次数超过51500次，其中9篇论文的他引次数超过1000次，他引次数最高的论文高达8792次. Walt教授目前的H-index是77，被评价为目前世界上引用率最高的前200位物理学家之一。

马雷教授，物理学家。现为天津大学教授、天津大学纳米颗粒与纳米系统国际研究中心执行主任。2010年在德国弗莱堡大学和南京大学获博士学位，曾在美国布朗大学和美国佐治亚理工学院进行博士后研究工作。自2016年以来，马雷教授主持国家自然科学基金和地区重点自然科学研究基金，被评为北洋杰出海外学者，研究领域涉及石墨烯电子学及其他低维二维材料相关物理学、材料科学与应用、团簇物理，自主设计研发的质谱仪和自由团簇的高分辨光电子能谱仪等设备达到国际领先水平。

3.主要研究方向：

依托省实验室公共研发平台和特种功能材料研究中心，以山东明石致远先进技术研究院有限公司为建设主体，联合天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心，建设石墨烯（纳米）实验室（研究分中心）。主要开展石墨烯薄膜材料生长技术、外延石墨烯电子学器件制备技术、石墨烯基高性能传感器、石墨烯特种技术包括石墨烯基异质超材料在太赫兹技术中的应用研究、基于团簇的原子制造和高端装备研发与应用研究。

建设目标：在一期建设期内，研发特定“标号”石墨烯薄膜生产技术和装备，推出具有特定结构和功能的系列石墨烯薄膜材料；研发和制备外延石墨烯纳米电子学器件；研发高性能的石墨烯基气体传感器和生物传感器；研发石墨烯改性的橡胶材料。二期建设期探索开展石墨烯基异质超材料在太赫兹技术中的应用研究、基于团簇的原子制造和高端装备研发。

主要研究内容：

1.石墨烯薄膜材料生长技术
以具有特定结构（晶畴尺寸、层数、纯度、掺杂度、缺陷密度等）和特定性能（迁移率、电导率、透光率、热导率等）的“标号”石墨烯薄膜为研究对象，抢占石墨烯薄膜原材料标准的国际话语权和制备技术制高点，研发特定“标号”石墨烯薄膜生产技术和装备，不断推出具有特定结构和功能的系列石墨烯薄膜材料，例如：高性能电子学器件级石墨烯晶圆、高性能石墨烯基透明导电薄膜材料和轻质高强石墨烯薄膜材料。

2.外延石墨烯电子学器件制备技术
外延石墨烯是一种超高纯石墨烯，可充分利用电子的波动性，因此极有可能成为未来量子计算硬件制造所需的理想材料。同时，外延石墨烯电子学器件还具有远低于传统硅电子学器件的功耗，及显著提高的运行速度。其最为工业界瞩目的一大特点是外延石墨烯纳米电子学器件可在传统器件工艺基础上稍加改进即直接投入生产，无需再额外开发全新的制备工艺。因此，外延石墨烯纳米电子学器件的制备与研究具有极大的实用价值和推广潜力。

3、石墨烯基高性能传感器的研发
主要研发高性能的石墨烯基气体传感器和生物传感器。气体传感器用于特种领域与极端条件下，例如应用于坑道气体检测以及航空火灾早期预警。生物传感器用于多种蛋白的便携式、多生化指标的检测仪器，未来将进一步应用于预测训练/应激水平、肿瘤预后，为疾病早期预防、及时诊断、精准治疗、预后评估和新药发现等提供重要支撑。

4、石墨烯特种技术包括石墨烯基异质超材料在太赫兹技术中的应用研究
开展石墨烯特种技术研究，例如利用石墨烯优异的力学性能和热学性能，研发石墨烯改性的橡胶材料，使其同时具有高强度和高延展性。从而使日常使用的橡胶制品,如轮胎、手套和气囊等更耐用,更富有弹性。

太赫兹波是波长介于红外与毫米波之间的电磁波，频率范围在0.1THz到10THz之间。太赫兹波具有光子能量低，穿透性强，对生物大分子有明显的特征吸收峰等特点，在生物无损检测、超快通讯系统、危险品检查及生物大分子光谱方面具有极大的应用前景。然而，自然界缺少对太赫兹波段直接响应的天然材料，极大的限制了太赫兹技术的发展。超材料是一种由人工设计的具有周期性亚波长单元结构的电磁材料，可以利用亚波长单元与入射电磁波的耦合实现特定频率的电磁响应。目前已成为解决太赫兹波段材料匮乏的理想手段。我们主要是进行石墨烯基异质超材料在太赫兹技术中的应用研究。

5.基于团簇的原子制造和高端装备研发
团簇是几个乃至上千个原子、分子或离子组成的相对稳定的微观聚集体，其空间尺度是几Å至几百Å。由于其还未形成块体/晶体的结构，相当大比例的组成原子、分子或者离子处于团簇的表面，因此常规的显微探测手段根本无法对其进行有效的测试和表征，特别是他们的本征态，为此在自由空间中对这样的微观聚集体的性质研究对于揭开物质性质的演化机理以及验证多体量子效应的本质意义重大。我们目前的研究工作以探索其独特的电学、磁学、催化等方面的性质为出发点，并以相关研究成果服务于先进的电子设备制造以及催化机理研究为最终目的而展开。

近年来的研究表明，使用传统工艺方法制造，材料在原子尺度上所表现出的特性很难保留和开发。目前在原子尺度创造结构的唯一方法是通过扫描隧道显微镜（STM）。但是STM只能移动在低温下保持稳定的表层原子和结构。这一方法耗时长，对装备要求高，且无法规模化。而基于团簇的原子制造具有天然的优势，为这一领域带来了曙光。
作为团簇研究制备工具的相关高端设备的研发即将成为未来各国在该领域竞争的热点之一，提前布局该方向的研究是未来我国在该领域占据领先地位的必要因素之一。