還記得前不久我們推薦的那個萌萌噠的課題組嗎？他們可不僅僅是萌萌噠喲，在科研方面，也是頗有特色的！
一、課題組簡介
武漢大學先進納米材料實驗室（Laboratory of Advanced Nanomaterials，簡稱LAN）成立于2012年2月6日，主要致力于二維原子晶體材料的可控生長及其在能源領域的應用。課題組負責人付磊教授。
二、主要研究方向
以電子信息、能源領域的應用需求為導向，著力研究石墨烯類二維材料及其異質結的可控生長、組裝問題。具體而言，從基底/催化劑設計角度出發(fā)，聚焦于化學氣相沉積（CVD）的基元過程控制，實現對二維材料層數、形狀、堆垛、拼接等的有效控制，優(yōu)化、調控其光電性能，并實現其組裝集成和無損轉移，以期建立適宜于器件應用的二維材料生長制備方法。
三、研究思路和成果
石墨烯等二維材料具有獨特的結構與優(yōu)異的性能，在眾多領域的應用前景令人期待。然而，二維材料的可控生長仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，這也是制約其真正邁向應用的瓶頸所在。近年來，付磊教授課題組在該領域做了大量深入細致的研究。
焦點在于：面向器件應用的石墨烯等二維材料的可控生長（層數、結晶性、組裝和異質結構）及轉移；
成果在于：系統(tǒng)提出液態(tài)基底CVD法，應用于石墨烯等二維納米材料的生長、轉移和組裝。
圖1. 提出液態(tài)基底CVD法——以實現二維納米材料的生長、轉移和組裝
1. 在液態(tài)金屬表面上生長出層數均勻、高質量石墨烯
通常用于石墨烯生長的催化劑均為固態(tài)金屬，制得的石墨烯由于受到固態(tài)催化劑表面不均勻性的影響，層數不均、晶界較多、質量欠佳，極大地影響了石墨烯的規(guī)模應用。而液態(tài)金屬具有良好流動性及均勻性，有助于石墨烯的均勻成核、生長。
我們發(fā)現高溫條件下液態(tài)金屬體相中能包埋大量催化裂解的碳原子，而在其冷卻過程中，額外的碳原子會由于表層晶格的固化而被鎖于體相之中，即液態(tài)金屬可視為一個容器緩沖多余的碳源，實現了一種與固態(tài)Cu表面截然不同且更不易受干擾的表面自限制生長。此法無需進行復雜的基底前處理和精確的生長參數控制，只需控制催化劑物態(tài)即可便捷地制備出大面積高質量的石墨烯膜（Sci. Rep. 2013, 3, 2670；Chem. Mater. 2014, 26, 3637）。
圖2. 與固態(tài)Cu表面截然不同的表面自限制生長機制
2．利用液態(tài)金屬表面各向同性實現石墨烯單晶間的平滑拼接
液態(tài)表面利于石墨烯的各向同性生長，所得圓形石墨烯的邊緣為非常細密的鋸齒型，其原子排列表現出zigzag和armchair混雜（ACS Nano 2016, 10, 7189），具有很高的活性。相較于具有規(guī)則形狀的晶粒，圓形石墨烯的旋轉位阻較小，無縫拼接易于達成，從而可獲得大面積無晶界、低缺陷的石墨烯膜。此法較之單晶基底生長法成本更低、操作更便捷。
圖3. 利用圓形石墨烯的小旋轉位阻實現無縫拼接
3．利用液態(tài)二元合金實現低溫及構筑二維異質結
通過液態(tài)金屬合金催化劑的二元協(xié)同設計（Ni–Ga），引入Ni提高液態(tài)金屬在低溫下催化碳源裂解的活性，并利用液態(tài)表面的自限制生長效應，實現低溫下高質量均勻石墨烯的制備（Chem. Mater. 2015, 27, 8230）。Ni–Ga的優(yōu)異催化活性和抗硫化特性使得液態(tài)金屬催化體系還可拓展至其它二維材料乃至其異質結的直接構筑（ACS Nano 2016, 10, 2063）。
圖4. 通過合金化拓展液態(tài)金屬的應用領域
4. 在液態(tài)金屬表面實現二維材料單晶的自組裝
以液態(tài)金屬為平臺，采用預播種和氣流擾動策略，實現了石墨烯單晶在液態(tài)基底表面的超有序自組裝，首次獲得了二維材料的超有序結構（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 7812）。得到的石墨烯超有序結構表現出非常優(yōu)異的周期性，每個石墨烯結構單元尺寸和間距均一，單晶的取向高度一致。這種方法具有良好的拓展性，除了石墨烯已經制得h-BN單晶超有序的分立陣列結構（Adv. Electron. Mater. 2015, 1, 1500223）。
圖5.石墨烯單晶在液態(tài)基底表面的超有序自組裝
5. 利用液態(tài)金屬實現石墨烯的滑移轉移
液態(tài)金屬在融化狀態(tài)下的原子易位性為轉移帶來了新的思路，這種新型的滑移轉移方法具有超快速（幾秒），可控性高（均勻的層數，大面積的和精確定位）和無損（無褶皺、無裂紋、無污染）的特色，這將極大地推進石墨烯的基礎研究及其實際應用（Adv. Sci. 2016, 3, 1600006）。
圖6. 新一代石墨烯轉移方法——在液態(tài)表面的滑移轉移
四、科研前瞻
石墨烯的熱潮一直未曾退去，新興二維原子晶體材料（包括六方氮化硼、過渡金屬硫化物、過渡金屬碳化物、黑磷、鍺烯、硅烯等）還在不斷面世。這一類原子級厚度的超級材料不斷沖擊著傳統(tǒng)認知，帶給科學家們無限的震撼。它們優(yōu)異的性質使得其在柔性顯示與柔性電子器件、電化學儲能、光通信、超高頻電子器件、光電檢測與傳感器件等諸多領域顯示出廣闊的應用前景。由二維材料組成的范德華異質結構（即把不同性質的二維材料層間堆疊形成新的人工結構）也具有相當廣闊的空間（1+1>2）。
而這些二維材料真正走進人們的日常生活的前提，無疑是找到可控、可批量廉價制備高質量材料的方法，通用、便捷、容錯性高的制備技術亟待發(fā)展。
這是一個充滿機遇和活力、富有挑戰(zhàn)性的具有重要應用前景的前言交叉領域，這兒有著充滿活力、具備超強團隊凝聚力的團體。富娛樂精神，究微納之間；做有趣、遲早有用的科研。享受簡單、有創(chuàng)意的生活；積極、齊心協(xié)力、各顯其能，歡迎加入LAN，結伴解開華麗二維原子晶體材料家族不為人知的秘密！更多關于先進納米材料實驗室的介紹請移步課題組網站：leifu.whu.edu.cn，更多驚喜等著你！
付磊教授簡介
付磊，武漢大學教授，博士生導師，獲自然科學基金委優(yōu)秀青年基金支持。2001年武漢大學本科畢業(yè)，2006年在中科院化學研究所獲理學博士學位。之后加入美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Director’s Postdoc Fellow），2008年～2011年任北京大學副研究員，2012年加入武漢大學。
研究興趣包括二維納米材料的可控生長及其在能源、柔性電子學領域的應用。在Nature Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Acc. Chem. Res.等期刊發(fā)表論文90多篇。翻譯國內首部石墨烯學術專著（《石墨烯：基礎及新興應用》，科學出版社，2015）。
獲中國科學院院長特別獎、中國科學院優(yōu)秀博士學位論文獎、中國化學會青年化學獎、武漢市優(yōu)秀青年科技工作者稱號。現任中國化學會青年委員會委員、納米化學專業(yè)委員會委員等學術職務。
本文由付磊教授提供，感謝分享！歡迎青年科研工作者來介紹你們的特色研究！傳播知識，分享快樂！
