Scalable and efficient separation of hydrogen isotopes using graphene-based electrochemical pumping
每年处理数千吨同位素混合物，用于重水生产和氚净化。现有技术仍然是能源密集型的，需要大量的资本投资。需要新的方法来减少该行业的足迹。最近，微米大小的石墨烯晶体被证明可以作为通过石墨烯电化学泵送氢同位素的有效筛。在这里，我们报告了一个完全可扩展的方法，使用石墨烯获得的化学气相沉积，它允许质子-氘分离因子约。8，尽管有裂缝和缺陷。预计能源消耗将比现有技术小几个数量级。基于30 m2石墨烯的膜，一个容易获得的量，可以提供与现代工厂相当的重水输出。甚至更高的效率，预计氚分离。由于扩大规模没有根本障碍，该技术的简单性、效率和绿色证书要求核工业和相关工业考虑。
2017-05-17 cond-mat.mtrl-sci
Electronic Structure of Graphene/TiO$_2$ Interface: Design and Functional Perspectives
我们提出了低应变和能量有利的单层和双层石墨烯覆盖层的设计在TiO_2 $_2$（001）表面和检查的界面的电子结构的第一性原理计算的帮助。在没有表面TiO $_2$和石墨烯状态之间的杂化的情况下，偶极波动支配跨界面的微小电荷转移。结果，衬底和覆盖层都保持其原始的电子结构。与单层石墨烯的界面保持其无间隙的线性带色散，而不管诱导的外延应变。电势梯度在Bernal堆叠的情况下打开了几个meV的带隙，并且在双层石墨烯的六边形堆叠的情况下加强了狄拉克锥的互穿。异质结构中TiO $_2$和石墨烯层的宏观平均电势之间的差在3至3.13 eV的范围内，这非常接近TiO $_2$带隙（$\sim$ 3.2 eV）。因此，所提出的异质结构将表现出增强的光诱导电荷转移，并且石墨烯组分将用作可见光敏化剂。
2020-12-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Properties of Graphene: A Theoretical Perspective
在这篇综述中，我们从理论家的角度对单层和双层石墨烯的物理学进行了深入的描述。我们讨论了石墨烯在外加磁场中的物理性质，反映了零能朗道能级的狄拉克点附近准粒子的手征性质。我们解决了独特的整数量子霍尔效应，电子相关的作用，以及最近观察到的分数量子霍尔效应在单层石墨烯。双层石墨烯中的量子霍尔效应与单层石墨烯有着本质的不同，反映了这一体系独特的能带结构。在没有外部磁场的运输理论进行了详细讨论，随着各种理论模型中研究的无序的作用。我们强调单层和双层石墨烯之间的差异和相似之处，并专注于热力学性质，如可压缩性，等离子体光谱，弱局域化校正，量子霍尔效应，和光学性质。由于克莱因隧穿，石墨烯中电子的限制是不平凡的。我们回顾了石墨烯量子受限结构的各种理论和实验研究。石墨烯纳米带的能带结构以及亚晶格对称性、边缘几何形状和纳米带尺寸对电子和磁性的影响是非常活跃的研究领域，本文对这些主题进行了详细的综述。讨论了衬底相互作用、吸附原子、晶格缺陷和掺杂对有限尺寸石墨烯系统能带结构的影响。我们还包括一个简要的描述graphane - gapped材料获得的石墨烯通过连接氢原子的每个碳原子在晶格中。
2010-03-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Graphene transistors for bioelectronics
本文综述了石墨烯溶液栅场效应晶体管（SGFET）及其在生物电子学中的应用。石墨烯SGFET的阵列的制造和表征，并讨论相对于竞争技术。为了更好地理解溶液栅控晶体管的工作原理，详细讨论了石墨烯-电解质界面。通过原代神经元培养物评估石墨烯的体外生物相容性。最后，与生电细胞的生物电子实验，证实了石墨烯记录细胞的电活动的适用性。
2013-02-06 cond-mat.mtrl-sci
How transparent is graphene? A surface science perspective on remote epitaxy
本文从表面科学视角探讨了 remote epitaxy 中石墨烯透明性的基础假设，提出傅里叶与拍频分析以无偏分解晶格势贡献，并指出了远程势在调节表面动力学及权衡竞争机制中的关键作用。
2025-09-09 cond-mat.mtrl-sci
Electric fields and substrates dramatically accelerate spin relaxation in graphene
理论上，石墨烯中的电子保持自旋状态的时间比大多数材料长得多，这使得石墨烯成为自旋电子学和量子信息技术的一个有前途的平台。在这里，我们使用第一性原理密度矩阵（FPDM）动力学模拟表明，与电场和基板的相互作用强烈增强自旋弛豫通过散射声子。因此，室温下的弛豫时间从独立石墨烯中的微秒减少到六方氮化硼（hBN）衬底上的石墨烯中的纳秒，这是通常在实验中测量的数量级。此外，反转对称性破缺hBN引入了更强的不对称性的电子和空穴的自旋寿命，比传统的D 'yakonov-Perel'（DP）自旋弛豫模型预测。偏离传统的DP模型更强的面内自旋弛豫，导致面外到面内的寿命比远大于1/2，最大值接近狄拉克点。这些FPDM的结果，独立于特定的假设或材料依赖的参数，也验证了最近修改的DP模型，以解释这种偏差。总体而言，我们的研究结果表明，在衬底的存在下，自旋-声子弛豫可能是更重要的石墨烯比通常假设，需要考虑在室温下基于石墨烯的自旋技术。
2022-03-16 cond-mat.mtrl-sci
Modelling electron-phonon interactions in graphene with curved space hydrodynamics
我们介绍了一个不同的角度来描述电子-声子相互作用的石墨烯弯曲空间流体力学的基础上。声子与载流子的相互作用增加了材料的电阻率。我们的方法捕捉晶格振动的曲率变化的空间，通过电子移动以下流体动力学方程。在这幅图中，对电子流的惯性修正自然产生，有效地产生电子-声子相互作用。相互作用的强度由一个与温度无关的耦合常数控制。我们将此模型应用于石墨烯，并令人满意地恢复预期在高温下的电阻率的线性标度律。我们的研究结果开辟了一个新的视角来处理石墨烯中的电子-声子相互作用，以及其他可以用费米液体理论描述电子的材料。
2017-02-14 cond-mat.mtrl-sci
Do specific ion effects influence the physical chemistry of aqueous graphene-based supercapacitors? Perspectives from multiscale QMMD simulations
特定的离子效应是否决定了水性石墨烯和石墨基超级电容器的电荷存储特性仍然是一个备受争议的话题。在这项工作中，我们提出了一个多尺度量子力学经典分子动力学调查的水溶液中的一元和二价盐电解质与完全极化带电石墨烯片。通过计算电化学双电层和量子电容，我们观察到一个恒定的电极比电容与阳离子半径和电荷。与直觉相反，我们确定阳离子吸附机制从内部到外部亥姆霍兹层的切换导致EDL电容的变化可以忽略不计，这似乎是由于石墨烯电极的稳健电子结构。然而，具有相对低的水合自由能的离子（如K+）穿透内亥姆霍兹平面并直接吸附在电极表面上的能力被发现减缓了它们平行于界面的扩散。外亥姆霍兹层中的离子被发现具有较高的扩散率在表面处，由于它们的位置在水层之间的离子通道。我们的研究结果表明，表面效应，如表面极化和部分脱水和局部结构的离子在表面上的阳离子的界面处的行为的基础上，并添加了一个重要的新的视角下看到的约束离子迁移率的趋势。
2022-11-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
A Different Perspective on Superconductivity in Crystalline Graphene: Exploiting Energetics
University of Chicago（芝加哥大学）；Florida Atlantic University（佛罗里达大西洋大学）
本文提出“双母体”能量学框架，利用一阶相变简并性解释晶体石墨烯中超导性广泛但局限于边界区域的谜团，无需指定配对吸引细节，并指出超导会选择净自由能增益最大的正常态母体。
2026-10-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Variability Effects in Graphene: Challenges and Opportunities for Device Engineering and Applications
石墨烯中的可变性效应可以由周围环境和石墨烯材料本身引起，这形成了检查石墨烯装置用于大规模生产的可行性的关键问题。从可靠性和成品率的角度来看，这些可变性会导致器件性能的波动，这应该通过器件工程来最小化。然而，从计量学的角度来看，可变性效应可以用作新的探测机制，其中“信号波动”可以用于潜在的感测应用。本文介绍了石墨烯的可变性效应的概述，重点是它们的挑战和机遇，器件工程和应用。讨论可以扩展到其他薄膜，纳米线和纳米管器件具有类似的可变性问题，形成评估新兴技术的承诺的普遍兴趣。
2013-02-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Green-extraction of carbon thin films from natural mineral Shungite
生产石墨烯的常规制造方法繁琐、昂贵且不环保。这是因为大量的原材料需要大量的酸和碱，这反过来又需要特殊的处理。因此，有必要开发新的技术或改进现有的石墨烯生产技术，并创造新的生态安全和有效的方法来生产石墨烯。本文采用物理分散法从天然矿物顺闪石中提取石墨烯薄膜。通过拉曼光谱和X射线物相分析，研究了顺闪石的结构，发现其为类石墨矿物结构。从光谱数据中，我们了解到，shunterium的主要成分是sp2和sp3形式的无定形碳。经处理的材料的透射电子显微镜图像显示，所获得的具有良好表面的石墨烯膜小至200纳米。我们的石墨烯绿色制造方法可广泛应用于电子（电极），光学，生物技术（生物传感器），生态学（废水吸附剂，空气净化）等各种领域。
2021-10-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Chemical vapor deposited graphene: From synthesis to applications
石墨烯是一种具有巨大应用潜力的材料。因此，大量的努力致力于使用化学气相沉积（CVD）技术的大规模石墨烯生产。此外，研究旨在开发将石墨烯纳入现有生产技术和工艺流程的方法。在本文中，我们提出了一个简单的回顾现有的CVD方法用于石墨烯的合成。我们还讨论了将石墨烯转移到所需衬底上的可扩展方法。最后，我们讨论了潜在的应用，将受益于一个完全规模化的，半导体技术兼容的生产工艺。
2021-03-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
NV-like Defects More Common Than Four-Leaf Clovers: A Perspective on High-Throughput Point Defect Data
本文基于33种材料的高通量点缺陷数据，指出NV类缺陷比四叶草更常见，并探讨扩展搜索标准及利用数据库发现量子技术相关新缺陷。
2025-10-17 cond-mat.mtrl-sci
On the Enhanced Reverse Beta Processes in Graphene-Iron Composite Nanostructures at High Temperatures in Strong Magnetic Field
强烈的密集多自旋相互作用已经被提出来组织新的轨道动力学（小效应）的新的化学和催化现象。最近对石墨烯中载流子在强磁约束下的相对论和量子霍尔效应的测定证实了小效应。此外，这种非经典的现象下，更强的磁约束的铁纳米催化剂在这里被证明组织逆β过程，并可能在高温高压条件下的稠核反应。这种过程对地球内部的逆β反应和核反应以及碳纳米管-铁金属和纳米石墨烯-铁金属复合材料的新技术具有影响。
2007-05-14 cond-mat.mtrl-sci
Correlated Electron Effects in Chromium Trihalide Hetostructures with Graphene: A Tight-Binding Model Perspective
National Graphene Institute, University of Manchester（国家石墨烯研究所，曼彻斯特大学）
本文提出一种紧束缚模型准确描述铁磁CrX$_3$单层最低能量四重态导带，揭示配体介导的远程电子跃迁路径，并证明G/CrI$_3$及G/CrI$_3$/G为II型异质结构，可实现石墨烯轻空穴与磁性层重电子共存。
2024-04-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Unveiling the Design Rules for Tunable Emission in Graphene Quantum Dots: A High-Throughput TDDFT and Machine Learning Perspective
本文通过高通量TDDFT计算系统研究了284个不同形状、尺寸及B/N/O/S/P掺杂的石墨烯量子点的荧光发射能规律，识别出12种可见光发射结构，并构建了可用于机器学习研究的DFT数据集。
2024-10-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Noncured Graphene Thermal Interface Materials: Minimizing the Thermal Contact Resistance
我们报告的非固化石墨烯热界面材料的接触热阻的实验研究，其表面特征在于不同程度的粗糙度。据发现，热接触电阻取决于石墨烯负载非单调，达到其最小值的负载分数的~15重量%。将表面粗糙度增加约1微米导致该石墨烯负载的热接触电阻增加约x2倍。所获得的热导率，热接触电阻，和总热阻的热界面材料层上的石墨烯负载和表面粗糙度的依赖性表明，需要优化的特定材料的负载分数和粗糙度的连接表面。我们的研究结果对于开发用于高功率密度电子设备热管理的石墨烯技术具有重要意义。
2021-06-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Gas sensing technologies -- status, trends, perspectives and novel applications
气体传感器和电子鼻的强劲、持续进步提高了性能，并使越来越多的应用对现代社会产生了重大影响，例如环境监测、食品质量控制和呼吸分析诊断。在这里，我们回顾这一领域，特别关注已建立和新兴的方法，以及最近的突破，挑战和前景。特别是，我们专注于（1）气体传感器的不同架构中采用的转导原理，分析其优点和局限性;（2）传感层，包括最近的趋势，纳米结构，低维和复合材料;（3）在信号处理方法的进展，包括最近出现的人工神经网络。最后，我们总结了应用方面的最新成果和趋势。
2021-10-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Hydrogen on graphene: Electronic structure, total energy, structural distortions, and magnetism from first-principles calculations
利用密度泛函理论计算了氢化单层、双层和多层石墨烯的电子结构、总能量、结构畸变和磁性。研究发现，氢致磁性只能在氢原子浓度很低的情况下（单原子状态）才能存在，而具有优化结构的氢对通常是磁性的。化学吸附能作为氢浓度的函数计算，以及氢结合和释放的能量障碍。结果表明石墨烯是一种很有前景的储氢材料。讨论了石墨烯、纳米管和块状石墨氢化之间的差异。
2007-12-28 cond-mat.mtrl-sci
3D and 4D printing in dentistry and maxillofacial surgery: Recent advances and future perspectives
3D和4D打印是精确和快速制造从塑料到金属的物体的尖端技术。牙科和颌面外科3D和4D打印技术的最新进展使牙医能够定制设计和打印手术钻导向器、临时和永久牙冠和牙桥、正畸器具和矫形器、植入物、用于药物输送的护齿器。在本综述中，重点介绍了可用于牙科的不同3D打印技术，以及对可用于打印的材料的评论。这些打印平台的应用的最新报告突出显示，使读者能够欣赏牙科3D/4D打印的进展。
2021-03-29 cond-mat.mtrl-sci
Flexible graphene transistors for recording cell action potentials
石墨烯溶液门控场效应晶体管（SGFET）由于石墨烯晶体管固有的高信号放大而成为用于记录细胞动作电位的有前途的平台。此外，石墨烯技术满足了体内应用的重要关键要求，例如生物相容性，机械柔性以及易于高密度集成。在本文中，我们展示了柔性阵列的石墨烯SGFET聚酰亚胺，生物相容性聚合物基板上的制造。我们研究了晶体管的介电常数和固有电子噪声，这是器件灵敏度的关键参数，确认所获得的值与刚性石墨烯SGFET的值相当。此外，我们表明，该设备在反复弯曲过程中不会降解，并且由石墨烯的电子性质决定的介电常数不受弯曲的影响。在细胞培养后，我们证明了从心肌细胞样细胞记录细胞动作电位，其具有比竞争的最新技术水平更高或相当的高信噪比。我们的研究结果突出了柔性石墨烯SGFET在生物电子学中的巨大能力，为体内实验和最终基于石墨烯的神经假体提供了坚实的基础。
2016-01-26 cond-mat.mtrl-sci
Adsorption of cobalt on graphene: Electron correlation effects from a quantum chemical perspective
在这项工作中，我们研究了一个单一的钴原子（Co）在石墨烯上的吸附通过完整的活性空间自洽场的方法，另外校正的二阶微扰理论。石墨烯的局部结构由平面烃簇（C $_{24}$ H $_{12}$）建模。系统处理的电子相关性和研究激发态的可能性，使我们能够重现不同的电子配置的Co的势能曲线。我们发现，在接近表面时，基态配置的Co经历了几个过渡，产生两个稳定的状态。第一个对应于高自旋$3d^74s^2$（$S=3/2$）构型中吸附原子的物理吸附，而第二个来自强轨道杂化形成的化学键，导致低自旋$3d^9$（$S=1/2$）状态。由于$3d^9$构型的不稳定性，Co的吸附能在两种情况下都很小，不超过0.35 eV。我们分析所得到的结果在一个简单的模型哈密顿量，涉及库仑排斥（$U$）和交换耦合（$J$）参数为3 $d$壳的Co，我们估计从第一原理计算。我们发现，虽然交换相互作用吸附后保持不变（$\simeq1.1$ eV），库仑排斥显着减少距离（从5.3至2.6 $\pm$ 0.2 eV）。筛选的$U$有利于更高的职业的3 $d$壳层，因此在很大程度上是负责的互构过渡的Co.最后，我们讨论的方法是基于密度泛函理论相对于石墨烯上的过渡金属原子的局限性，我们得出结论，一个适当的帐户的电子相关性是至关重要的吸附在这样的系统中的描述。
2012-08-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Reducing Graphene Device Variability with Yttrium Sacrificial Layers
自十多年前分离出这种材料以来，石墨烯技术已经取得了长足的进步。然而，尽管生长质量和众多“英雄”设备有所改善，但均匀性的挑战仍然存在，限制了石墨烯技术的大规模发展。在这里，我们通过研究接触金属（有和没有Ti层），抗蚀剂和钇（Y）牺牲层在数百个设备的制造过程中的影响，调查和减少石墨烯晶体管的可变性。我们发现，与光学光刻，残留的抗蚀剂和工艺污染是不可避免的，最终限制设备的性能和产量。然而，使用Y牺牲层将石墨烯与加工条件隔离提高了产率（从73%提高到97%）、平均器件性能（迁移率提高了三倍，接触电阻降低了58%）和器件到器件的可变性（狄拉克电压的标准偏差降低了20%）。与其他牺牲层技术相比，用HCl去除Y牺牲层不会损害周围材料，简化了大规模石墨烯制造。
2017-05-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Electrodeposited WS$_2$ Monolayers on Fabricated Graphene Electrodes
可扩展技术的发展，使二维材料异质结构是一个主要的障碍，需要克服这些材料之前，可以在工业上实现设备技术。电沉积是一种工业兼容的沉积技术，在缩放2D异质结构方面具有独特的优势。在这项工作中，我们展示了使用单一源前体在石墨烯电极上电沉积WS $_2$的原子层。使用常规的微制造技术，将石墨烯图案化以产生微电极，其中WS $_2$被位点选择性地沉积以形成2D异质结构。我们使用了各种表征技术，包括原子力显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱学，以表明我们的电沉积WS $_2$层是高度均匀的，并且可以以可控的沉积速率在石墨烯上生长。这种在微加工石墨烯电极上选择性沉积TMDC的技术为纳米器件应用的2D材料异质结构的晶圆级生产铺平了道路。
2021-08-31 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Conversion of self-assembled monolayers into nanocrystalline graphene: Structure and electric transport
石墨烯基材料已被建议用于从纳米电子学到纳米生物技术的应用。然而，石墨烯基技术的实现将需要大量具有可调物理和化学性质的独立二维（2D）碳材料。通过分子自组装的自下而上的方法具有满足这一需求的巨大潜力。在这里，我们报告的制造和表征的石墨烯由电子辐射诱导交联的芳香族自组装单分子层（SAMs）和随后的退火。在这个过程中，SAM被转化为具有良好定义的厚度和任意尺寸的纳米晶石墨烯片。电输运数据表明，这种转变伴随着绝缘体到金属的转变，其可用于控制所制造的石墨烯片的电性质，例如电导率、电子迁移率和双极电场效应。所建议的路线开辟了广阔的前景工程的自支撑的二维碳材料与可调性能的各种固体基板和多孔基板作为悬浮膜。
2011-05-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Thermal Transport in Amorphous Graphene with Varying Structural Quality
最近已经证明了晶片级二维无定形碳单层的合成。这种材料在作为金属、半导体或磁性材料的涂层集成时具有有用的特性，例如能够实现有效的原子层沉积，从而促进超紧凑技术的发展。在这里，我们提出了一个表征的结构程度的无定形的这种碳膜可以控制的晶体生长温度。我们还确定了如何在这种材料中的能量耗散新兴的振动模式，其本地化的空间对称性的损失增加，导致在一个可调的热导率变化超过两个数量级的系统分析。我们的模拟提供了一些配方，以设计最合适的“无定形石墨烯”的基础上的目标应用，如散热器，能量采集器或绝缘热障。
2020-12-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Hot Carrier-Assisted Intrinsic Photoresponse in Graphene
石墨烯是一种在光电子学、光子学和能量收集应用中显示出高前景的新材料。然而，光电响应的基本物理机制尚未建立。在这里，我们报告了高质量的双栅单层和双层石墨烯pn结器件的本征光电响应。在p-n界面的局部激光激发导致作为底栅和顶栅电压的函数的引人注目的六倍光电压图案。这些图案，连同测量的空间和密度依赖性的光响应，提供了强有力的证据，非本地的热载流子传输，而不是光伏效应，占主导地位的内在的光响应在石墨烯。这种新颖的制度，其特点是长寿命和空间分布的热载流子人口，可能会打开大门的光电技术利用有效的能量传输在纳米级。
2011-11-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
