纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是北京大学化学与分子工程学院刘忠范院士。
刘忠范院士主要从事纳米碳材料、二维原子晶体材料和纳米化学研究，在石墨烯、碳纳米管的化学气相沉积生长方法研究领域做出了一系列开拓性和引领性的工作，是国际上具有代表性的纳米碳材料研究团队之一。近年来在石墨烯研究领域不断取得重要突破，发明了超级石墨烯玻璃、超级石墨烯光纤、超洁净石墨烯、标号石墨烯、石墨烯的光化学能带工程等一系列新概念和新技术，推动了石墨烯领域的快速发展。在早期工作中，还建立了基于扫描探针显微技术的针尖化学研究方法和超高密度光电化学信息存储方法，率先将有机小分子自组装技术引入准一维碳纳米管研究领域，建立了单壁碳纳米管的有序自组装方法等。目前主要研究方向有：1) 纳米碳材料和二维原子晶体材料的CVD生长方法；2) 碳材料化学；3）新型纳米光电器件与可穿戴技术。
下面，我们简要总结了刘忠范院士课题组2019年研究成果，供大家交流学习。
1）由于相关论文数量较多，本文仅限于作为通讯作者的论文（不包括序言、短篇评述等），以online时间为准。如有遗漏，欢迎留言补充。
2）由于学术水平有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。
3）由于篇幅限制，部分成果未列入编号，仅以发表截图展示。
以下篇幅分为4个方面展开：
Part Ⅰ 超净石墨烯的制备
Part Ⅱ 大面积石墨烯的制备
Part Ⅲ 石墨烯的应用
Part Ⅳ 碳材料及可穿戴系统
Part Ⅰ 超净石墨烯的制备
1. 面向超净石墨烯丨Nature Commun.
材料合成过程中产生的杂质通常会导致其本征性质和器件性能的恶化。该效应在石墨烯中尤为突出——石墨烯的二维属性使其表面污染成为了一个悬而未决的重大难题。有鉴于此，北京大学刘忠范、彭海琳等人研究了石墨烯表面污染的起源，发现污染主要源于高温CVD生长过程，而不是转移或储存过程。基于此，作者设计了一种Cu基底结构，用以实现超净（>99%清洁区域）石墨烯的大规模简易生产。结果显示，超净石墨烯片的光学透明度和导热性均有提升，接触电阻极大下降，并具有本征亲水性。这项工作不仅为石墨烯生长开辟了新方向，而且为超净石墨烯的高端应用带来了激动人心的机会。
Lin, L., Zhang, J., Su, H.et al. Towards super-clean graphene. Nat Commun 10, 1912 (2019)doi:10.1038/s41467-019-09565-4
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09565-4
2. 含Cu碳源制备超净石墨烯丨JACS
化学气相沉积（CVD）使得大规模制备高质量石墨烯薄膜成为可能，对于石墨烯的工业化生产同样表现出巨大潜力。然而，CVD生长的石墨烯薄膜具有表面污染，这些污染会阻碍其潜在应用，例如电子和光电子器件。为了解决这个问题，北京大学刘忠范、彭海琳等人以含金属元素的分子Cu(OAc)2作为碳源，采用改进的气相反应实现了无污染石墨烯膜（超净石墨烯）的大规模制备。在高温CVD期间，含Cu碳源极大增加了气相中Cu的含量，只要保证碳源的充分分解，就能抑制石墨烯表面污染的形成。基于此方法制备的石墨烯具有99%以上的表面清洁度，光学性质和电学性质也相应提高。总之，这项研究从表面清洁度的角度给提高石墨烯质量开辟了一条新道路，并为气相反应生长石墨烯的机理研究提供了新的见解。
Jia, Kaicheng, et al.”Copper-Containing Carbon Feedstock for Growing Superclean Graphene.”Journal of the American Chemical Society (2019).
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.9b02068
3. 通过CO2对无定形碳的选择性蚀刻，合成大面积超洁净石墨烯丨Angew
污染，在石墨烯表面是常见的，它对石墨烯的性能有影响，并严重阻碍石墨烯的应用。低成本的生产大面积的洁净石墨烯薄膜仍然是一个巨大的挑战。近日，北京大学刘忠范、彭海琳等多团队合作，报道了一种简便且可规模化的合成尺寸达米级超洁净石墨烯（平均清洁度为99%）的化学气相沉积法，该方法依赖于CO2的弱氧化能力来腐蚀掉固有污染，即无定形碳。值得注意的是，无定形碳的消除能够显著减少转移和制备步骤中的聚合物残留，并有望大大提高石墨烯的电学和光学性能。大面积超洁净石墨烯的快速合成将为石墨烯的基础研究和工业应用开辟道路。
Jincan Zhang, Kaicheng Jia, Li Lin,HailinPeng,* Zhongfan Liu*, et al. Large‐areasynthesis of super‐clean graphene via selective etchingof amorphous carbon by carbondioxide. Angew. Chem. Int. Ed., 2019
DOI: 10.1002/anie.201905672
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201905672
4. 超过99％表面清洁度！不得了的超净石墨烯丨AM
污染是表面和界面技术中的主要问题。鉴于石墨烯是具有极大表面积的2D单层材料，表面污染可能严重降低其固有性质并且强烈地阻碍其在表面和界面区域中的适用性。然而，尚未实现用于生产保持其优异性能的清洁石墨烯膜的大规模且简便的处理方法。彭海琳和刘忠范团队报道了一种有效的后生长处理方法，用于选择性地去除表面污染以获得大面积的超洁石墨烯表面。表面清洁度超过99％的所得超净石墨烯可以转移到具有显著减少的聚合物残留物的介电基底上，产生500,000cm2 V-1 s-1的超高载流子迁移率和118 Ω μm的低接触电阻。通过活性炭基棉绒辊对石墨烯污染物的强粘合力，成功实现了去除污染物。
Sun,L. Z., Lin, L., Wang, Z. H., Rui, D. R.,Yu, Z. W., Zhang, J. C., Li, Y. L. Z.,Liu, X. T., Jia, K. C., Wang, K. X.,Zheng, L. M., Deng, B., Ma, T. B., Kang,N., Xu, H. Q., Novoselov, K. S., Peng, H.L., Liu, Z. F., A Force‐Engineered Lint Roller forSuperclean Graphene. Adv. Mater. 2019,1902978.
DOI:10.1002/adma.201902978
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902978
Part Ⅱ 大面积石墨烯的制备
5. 单晶石墨烯薄膜的受控生长丨AM综述
在材料合成过程中产生的晶界会影响材料的固有特性及其在高端应用中的潜力。这种效应经常在使用化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜中观察到，因此在过去十年中引起了人们对控制无晶界石墨烯单晶生长的强烈兴趣。增大石墨烯尺寸和减小石墨烯晶界密度的主要方法分为单种子法和多种子法，其中成核密度降低和成核取向对准是在成核阶段实现的。近日，北京大学刘忠范，彭海琳等总结了这两种方法的代表性方法的详细合成策略、相应的机理和关键参数，目的是提供全面的知识并概述单晶石墨烯薄膜可控生长的最新状态。最后，讨论了合成大面积单晶石墨烯薄膜的机遇与挑战。
JincanZhang, Hailin Peng,* Zhongfan Liu*, etal. Atomic‐Precision Gold Clusters for NIR‐II Imaging. Adv. Mater. 2019,
DOI: 10.1002/adma.201903266
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201903266
6. 氮簇掺杂的石墨烯薄膜具有毫米级单晶域和高电导率丨Science Adv.
虽然石墨烯丰富的电学和光学特性使其有望在各种应用中作为关键材料使用，但获得对掺杂水平的精确控制且不降低载流子迁移率和石墨烯稳定性的低成本可扩展技术尚未建立。北京大学刘忠范、彭海琳、Feng Ding和H. Q. Xu团队成功地合成了面内石墨氮簇掺杂石墨烯（Nc-G），其具有毫米级尺寸的单晶域，依靠氧辅助CVD生长策略，使用乙腈（ACN）作为氮源和碳源，通过掺入氮封端的碳簇以抑制载流子散射和通过氧蚀刻消除所有有缺陷的吡啶氮中心，并抑制成核密度，实现具有高n掺杂水平的极大载流子迁移率。该Nc-G与混合吡啶氮和石墨氮共存的常见氮掺杂石墨烯样品形成了鲜明对比。Nc-G中的每个掺杂中心含有三至六个或甚至更多的三角形平面内的石墨氮掺杂剂，由于掺杂剂的独特空间排列，Nc-G单晶获得了13000 cm2 V-1s-1的超高载流子迁移率，大大降低的薄层电阻，并且出现了新的量子现象。
LiLin, Jiayu Li, Qinghong Yuan,Qiucheng Li, Jincan Zhang, Luzhao Sun, DingranRui, Zhaolong Chen, Kaicheng Jia,Mingzhan Wang, Yanfeng Zhang, Mark H.Rummeli, Ning Kang, H. Q. Xu, Feng Ding,Hailin Peng, Zhongfan Liu, Nitrogencluster doping forhigh-mobility/conductivity graphene films withmillimeter-sized domains, ScienceAdvances, 2019.
DOI:10.1126/sciadv.aaw8337
https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw8337?rss=1
7. 石墨烯单晶晶圆的快速规模化制备和液晶显微镜阵列应用丨Science Bulletin
单晶石墨烯的化学气相沉积制备是一个技术前沿、工艺复杂的系统工程，目前有单一形核快速生长和多点成核外延拼接两种主流石墨烯单晶制备技术，具体包括形核机制研究、高效生长基材开发、批量制备系统的设计、稳定生产工艺控制和评估等研究内容。然而，化学气相沉积制备的石墨烯薄膜通常具有晶界、褶皱、点缺陷和污染等，严重地降低了石墨烯优异性能。因此，以快速、可批量化、与晶圆制程兼容的方式制备高质量石墨烯单晶晶圆，是石墨烯作为电子级材料规模化应用的关键。针对石墨烯单晶晶圆规模化制备中的关键问题，北京大学和北京石墨烯研究院的彭海琳教授课题组及刘忠范院士团队与合作者前期提出了石墨烯单晶在铜(111)/蓝宝石晶圆上外延生长的方法，在国际上率先成功实现了4英寸无褶皱石墨烯单晶晶圆的化学气相沉积制备(ACS Nano 2017 11，12337)。
最近，彭海琳教授、刘忠范院士联合团队循着外延衬底制备-石墨烯外延生长这一研究思路，首先制备了4英寸CuNi(111)铜镍合金单晶薄膜，并以其为生长基底实现了4英寸石墨烯单晶晶圆的超快速制备。同时，该团队与合作者自主研发了石墨烯单晶晶圆批量制备装备，实现了单批次25片4英寸石墨烯单晶晶圆的制备，设备年产能可达1万片，在世界范围内率先实现了石墨烯单晶晶圆的可规模化制备。
Bing Deng, Zhongfan Liu, Hailin Peng, et al. Scalable and ultrafastepitaxial growth of single-crystal graphene wafers for electricallytunableliquid-crystal microlens arrays. Science Bulletin,2019.
DOI: 10.1016/j.scib.2019.04.030
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592731930252X
详细解读参考：
《北京大学彭海琳/刘忠范团队在石墨烯单晶晶圆的规模化制备和装备研发取得重要进展》
其他：
Part Ⅲ 石墨烯的应用
8. 石墨烯工业的综合挑战丨Nature Mater.
过去几年石墨烯研究取得了重大进展，但其商业化和工业化仍面临诸多挑战。刘忠范和彭海琳团队讨论了工业大规模合成石墨烯的相关问题，这是未来石墨烯行业发展的关键之一。
石墨烯因其引人入胜的特性而成为现代化学和物理学的新兴材料。到2022年，全球石墨烯市场预计将超过1.5亿英镑。然而，石墨烯的真正商业化远未取得一夜之间的成功。
只有满足特定应用要求并提供超越其他替代品令人信服的优势的材料才能占领潜在市场。以碳纤维的发展历史为例，在孵化期间，其工业化在很大程度上受到缺乏碳纤维产品的限制，碳纤维产品具有令人信服的性能和性能，以满足应用的要求。那时，碳纤维的可能用途仅在少数几个领域，如钓竿和高尔夫球杆。在接下来的几年中，特别是近几十年来，高级碳纤维合成的进步确保了扩展的商业应用，包括土木工程，军事，汽车和航空航天工业。反思碳纤维的商业化途径，在改进材料合成和实现真正竞争性应用方面的不懈努力可能使石墨烯能够找到更广泛商业化的方法。
未来之路：
与硅工业一样，石墨烯并非在每个领域都是无所不能的。成功的关键在于实现材料合成的进步，并揭示区分石墨烯突出优势的实际杀手锏应用。目前的研究发展已经确定了几种可能的杀手级应用候选者。石墨烯成功应用于基于石墨烯等离子体的宽带图像传感器阵列和太赫兹到中红外应用。最近，石墨烯已被用作可调谐的过滤器，此外，石墨烯膜可用作TEM样品的理想支撑，同时提供更高的分辨率。
关于石墨烯产品的价格，虽然我们应该重视降低生产成本的持续努力，但商品化石墨烯产品的价格应该由产品性能决定。石墨烯研究和工业界的主要工作应该致力于提高石墨烯产品的质量和性能，而不是仅仅专注于提供价格合理的便宜货。即使价格高出五倍，性能提升十倍的产品也会有很大的市场。尽管石墨烯已被广泛认为是具有许多迷人特性的非常有前景的二维材料，但似乎很难预测石墨烯工业的确切未来。自学术研究初步转变为实际应用以来，仅过了几年，还有很大的发展空间，也就是说，石墨烯工业化和商业化是一个漫长的旅程，没有成功的捷径。随着工业规模材料合成和新兴杀手应用的不断改进，石墨烯行业应该能够期待更光明的未来。
Li Lin, Hailin Peng, Zhongfan Liu.Synthesischallenges for graphene industry. Nature Materials, 2019.
DOI: 10.1038/s41563-019-0341-4
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0341-4
9. 米级水平！石墨烯光子晶体光纤新进展丨Nature Photon.
光子晶体光纤（PCF）与各种功能材料的集成极大地扩展了光纤的应用范围。石墨烯（Gr）与PCF的结合允许电可调性，宽带光学响应和全光纤集成能力。然而，之前的报道仅限于微米级样品，远远落后于米级水平的实际应用要求。北京大学刘忠范和刘开辉及其合作者展示了一种新的混合材料，采用化学气相沉积法生产的Gr-PCF，长度可达半米。Gr-PCF显示出强烈的光物质相互作用，衰减约为8 dB cm -1。此外，基于Gr-PCF的电光调制器在~2V的低栅极电压下表现出宽带响应（1,150-1,600 nm）和大调制深度（在1550 nm处为~20 dB cm-1）。该研究可以实现基于这种Gr-PCF的工业级石墨烯应用，并为二维材料-PCF提供有吸引力的平台。
Graphene photonic crystal fibrewith strong and tunablelight–matter interaction, Nature Photonics (2019)
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0492-5
10. 利用垂直取向石墨烯纳米片作为缓冲层提高紫外发光二极管的散热能力丨AM
对于III族氮化物基器件，例如高亮度发光二极管（LEDs），蓝宝石基底差的散热能力不仅降低了能量效率，而且限制了器件的许多应用。有鉴于此，中科院半导体所Zhiqiang Liu、Tongbo Wei，北京大学Peng Gao、刘忠范等人提出可采用垂直取向的石墨烯（VG）纳米片作为缓冲层，用于提高蓝宝石基底上AlN薄膜的散热能力。实验发现，由于独特的垂直取向结构和良好的热导性，VG纳米片确实能有效提高AlN薄膜和蓝宝石基底之间的纵向散热。以VG-蓝宝石为衬底的LED在350 mA高注入电流下的光输出功率提高了37%，温度降低了3.8%。此外，VG纳米片的引入并没有降低AlN薄膜的质量，而是促进了AlN成核，并明显降低了冷却过程中产生的外延应力。以上这些发现表面VG纳米片可能是III族氮化物基半导体器件的良好缓冲层，特别是用于促进高亮度LEDs的散热。
Ci, Haina, et al.”Enhancement of Heat Dissipation in Ultraviolet Light‐Emitting Diodes by aVertically Oriented Graphene Nanowall Buffer Layer.” Advanced Materials(2019): 1901624.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901624
11. 石墨烯改性AlN薄膜的外延生长丨AM
制备具有低应力、低位错密度的单晶III族氮化物对半导体工业而言至关重要。AlN基深紫外发光二极管（DUV-LEDs）在微电子技术和环境科学领域具有重要应用，但受限于外延层和基底之间较大的晶格失配以及热失配。有鉴于此，中科院半导体所Jinmin Li、Tongbo Wei，北京大学Peng Gao、刘忠范等人利用准范德华外延生长（(QvdWE)）在石墨烯/蓝宝石基底上制备出高质量AlN薄膜，并将其用于高性能DUV-LEDs。DFT计算发现，等离子体处理石墨烯从而引入的吡咯型氮极大促进了AlN的成核过程，使得在非常短的时间内（≈0.5 h，比传统时间减少一半）就能生长出镜面光滑的单晶薄膜，因此大大降低了成本。此外，石墨烯有效降低了平面应力（0.11 GPa）和外延层的位错密度。所组装的DUV-LED具有低开关电压，良好可靠性，以及高输出功率。这项研究或许为AlN薄膜外延生长带来了革新性技术，也为石墨烯薄膜的大规模应用带来了机会。
Chen, Zhaolong, et al.”Improved Epitaxy of AlN Film for Deep‐Ultraviolet Light‐Emitting DiodesEnabled by Graphene.” Advanced Materials (2019): 1807345.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201807345
其他：
Part Ⅳ 碳材料及可穿戴系统
12. 少层Graphdiyne的制备方法丨AM综述
Graphdiyne（GDY）是一种石墨炔类材料，更是一种新兴的碳的同素异形体，在电子器件、催化、电化学储能、非线性光学等领域具有广泛的潜在应用。少层GDY的制备方法十分重要，因为制备是实现其结构表征和应用的前提。有鉴于此，北京大学张锦、刘忠范等人批评性地总结了目前所报道的最先进的GDY，并聚焦于少层GDY的制备方法。此外，作者详细分析了合成GDY所面临的困难与挑战。特别回顾了近期发展的几种方法：1. 基于Cu衬底的方法；2. CVD方法；3. 界面制备法；4. 石墨烯模板法。在全文的讨论中，作者针对不同方法全面分析了其优势与不足。这些方法为制备少层或单层GDY薄膜提供了灵感。最后，作者展望了制备层数、形貌可控的高质量GDY晶体的研究方向以及尚存的挑战。
Zhou, Jingyuan, et al.”Exploring Approaches for the Synthesis of Few‐Layered Graphdiyne.”Advanced Materials (2019): 1803758.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201803758
13. 用于可穿戴电子设备的碳纳米材料柔性电池丨AM综述
可穿戴电子产品近年来受到了相当多的关注。目前迫切需要可弯曲/折叠的柔性电池，且它们的电化学功能应在形变状态下能够稳定地保持。碳纳米管，石墨烯和它们的复合材料作为柔性材料表现出优异的性能，使得它们非常适用于柔性电池。刘忠范院士与Ziping Wu、Di Wei团队从材料制造、结构设计和性能优化的角度讨论了使用碳纳米材料的柔性电池的最新进展。根据目前的进展，概述和突出了现有的优势，挑战和前景。
Wu Z, Wang Y, Liu X, et al. Carbon‐Nanomaterial‐Based Flexible Batteries forWearable Electronics. Advanced Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201800716
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201800716
14. 自供电可穿戴! 钙钛矿太阳能电池+锂离子电容器丨NanoEnergy
灵活组装中新兴的能量收集和存储集成系统提供了一种有前景的解决方案。然而，仍存在与主要集成电源的能量密度不足，总效率有限和输出电压低有关的严峻挑战。苏大刘忠范和孙靖宇团队报道了一种柔性钙钛矿太阳能电池（PSC）驱动的可光再充电锂离子电容器（LIC），它将能量收集和存储与自供电可穿戴应变传感器集成。这种灵活的PSC-LIC模块可以提供8.41％的总效率和3 V的高输出电压，放电电流密度为0.1 A g-1。即使在1 A g-1的高电流密度下，它仍然可以获得超过6％的总效率，优于目前最先进的光电充电电源。因此，自供电应变传感器可以在没有任何外部电源连接的情况下显示生理信号的精确和连续数据记录，从而实现一个智能系统内的能量收集，存储和利用的协同作用。这种多功能集成平台有望为实用的自供电可穿戴电子产品带来显着优势。
Li, C.; Cong, S.; Tian, Z.; Song, Y.; Yu, L.;Lu, C.; Shao, Y.;Li, J.; Zou, G.; Rümmeli, M. H.; Dou, S.; Sun,J.; Liu, Z. Flexibleperovskite solar cell-driven photo-rechargeable lithium-ioncapacitor forself-powered wearable strain sensors. Nano Energy, 2019.
DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.061
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519302563
除此之外，刘忠范院士课题组2019年在纳米碳材料和二维原子晶体材料的CVD生长方法、碳材料化学、新型纳米光电器件与可穿戴技术等方面还发表了一系列重要成果，由于内容较多，在此不一一列出。感兴趣的读者可自行检索学习。
刘忠范院士简介
刘忠范院士，长春工业大学学士（1983），横滨国立大学硕士（1987），东京大学博士（1990），东京大学和冈崎国立共同研究机构分子研究所博士后（1990-1993）。北京大学教授 (1993- )，杰青（1994），长江特聘教授（1999-），中国科学院院士 (2011)，中组部“万人计划”杰出人才（2013），北京大学纳米化学研究中心主任，北京大学纳米科学与技术研究中心主任。
研究方向：
1) 纳米碳材料和二维原子晶体材料的CVD生长方法；2) 碳材料化学；3）新型纳米光电器件与可穿戴技术。
获得奖励和荣誉：
1997年获香港求是科技基金会杰出青年学者奖。2005年获中国分析测试协会科学技术一等奖。2007年获高等学校科学技术奖自然科学一等奖。2008年获国家自然科学二等奖。2012年获中国化学会—阿克苏诺贝尔化学奖。2012年获宝钢优秀教师特等奖。英国皇家化学会会士，英国物理学会会士。
主要社会兼职：
第十二届全国人大代表，九三学社第十三届中央委员、院士工作委员会副主任。北京市人民政府专家咨询委员会委员，教育部科技委化学化工学部委员，教育部教学指导委员会材料物理与材料化学专业教学指导分委员会副主任委员。中国化学会常务理事、纳米化学专业委员会主任。物理化学学报主编，化学学报副主编，科学通报副主编，APL Materials副主编。Adv. Mater.、Small、Nano Res.、NaturalScience Review、ChemNanoMat、NPGAsia Materials、J. Photochem. and Photobiol. C.Photochem. Rev.等国际期刊编委或顾问编委。
（注：文中对人物的简介来源于百度百科及北京大学官网，人物照片来源于网络）
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