石墨烯等二维材料前沿综述（2019.10.10-.10.27）
转角石墨烯有效模型理论研究取得进展
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心博士生廖元达、中科院物理所研究员孟子杨和香港科技大学/加州大学圣地亚哥分校博士后许霄琰组成的研究团队，利用投影量子蒙特卡洛方法，在转角石墨烯有效晶格模型中考虑电子之间的强关联效应，详细研究了该有效模型在电中性点的基态相图（如图1所示）。他们发现，考虑六角格子的团簇电荷相互作用U，当相互作用较小时，系统处在狄拉克半金属态（Dirac semi-metal, DSM）。随着相互作用强度U的增加，狄拉克费米子的费米速度被重整化，直到U/t=25.1(2)处，系统的低能描述中出现了一个质量项，狄拉克锥处打开能隙，系统经历一个连续相变从DSM态转变为六格共振价键固体相（plaquette valence bond soild, pVBS）。经过详细的数值分析（如图2，图3），发现该连续相变属于三维 N=4 Gross-Neveu手性XY普适类，具有涌现连续对称性，是金属态到绝缘体态的相变。他们进一步发现，当继续增强相互作用强度直到U/t=46，系统再次发生相变，从pVBS进入柱状共振价键固体相（columnar valence bond solid, cVBS）。该团队仔细研究了系统在相变点附近的动能、VBS的序参量等物理量（如图4），确定了该相变为一级相变，而在 pVBS与cVBS的交界处，如在一级相变的两相共存区中，边界上有拓扑保护的边界态存在。
这项工作填补了转角石墨烯模型研究中没有严格考虑量子多体效应工作的空白，为从量子临界涨落的角度理解转角石墨烯中新奇的实验结果提供思路，指出了运用大规模数值计算辅以有效晶格模型分析研究转角石墨烯系统的方向。
图1：转角石墨烯有效格点模型在电中性点随着团簇电荷相互作用U/t 的相图。
图2：(a). DSM-pVBS相变的键强关联比值之间的cross data，由此可以确定相变点在U/t=25.1(2)。(b). VBS态结构序参量的data collapse，由此可以定出来临界指数η=0.80(2)，ν=1.01(3)，符合三维N=4 Gross-Neveu手性XY普适类，具有涌现连续对称性。
图3：DSM-pVBS相变是金属到绝缘体相变。
图4：两个不同VBS态之间的转变。序参量的 histogram 显示了两种共振价键绝缘体内部结构的不同。
大连化物所发展出一步法制备集成化微型超级电容器新方法
中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组研究员吴忠帅团队与中科院院士包信和团队、研究员吴仁安团队合作，采用激光热解聚酰亚胺的方法，一步实现了石墨烯电极材料的制备、微型超级电容器单体的构建和多个微型超级电容器的一体化集成。
科研人员采用激光热解聚酰亚胺制备图案化石墨烯薄膜的方法，一步实现了微型超级电容器电极材料的制备，单体图案化微电极构建和多个微型超级电容器的一体化自集成大大简化了制作流程，显著提高了集成器件的整体性。根据不同的实际应用需求，不仅可以对集成化微型超级电容器的形状和大小进行有效调控，而且能够实现任意数量平面微型超级电容器的串并联集成，有效定制输出工作电压和电流。由于集成化微型超级电容器的集流体、电极和导电连接体组成相同且一步制得，所得器件具有良好的一体性、柔韧性和性能一致性。此外，在离子液体电解液中该器件表现出出色的高温稳定性，可在100°C条件下稳定工作。因此，该工作为高效简化制备高度集成化微型超级电容器提供了新的策略，并拓宽了其潜在应用场景。
大连化物所发展出一步法制备集成化微型超级电容器新方法
湖南大学Advanced Materials综述：硼烯-石墨烯的新表亲
湖南大学谢声意博士（第一作者）、北京理工大学王业亮教授和吉林大学李贤斌教授联合在 Advanced Materials上发表了一篇名为“Flat Boron: A New Cousin of Graphene”的综述文章。在这篇综述中，作者历史性地回顾了硼烯的研究历程。本文首先介绍了硼烯概念的来源以及实验上平面硼团簇的研究进展；其次，介绍了二维硼片相关的理论研究；然后，作者重点了介绍硼烯的实验进展，包括化学气相沉积、金属衬底上的分子束外延以及超声辅助的液相剥离方法来制备硼烯及少层硼片；最后总结和展望了硼烯在基础科学及未来高端技术中的应用。
图1. 近二十年来在硼烯领域的研究论文及标志性的研究突破。
图2. 光电子能谱实验联合第一性原理计算确认的平硼/准平硼团簇。
图3 稳定硼烯结构的理论探索方案。
图4化学气相沉积方法在铜衬底上生长γ-B28硼片的实验表征。
图 5 美国阿岗国家实验室用分子束外延技术在银（111）衬底上生长硼烯的实验表征。
图 6. 中国科学院物理研究所用分子束外延技术在银（111）衬底上生长硼烯的实验表征。
图7. 耶鲁大学研究小组在铜（111）衬底上生长硼烯的实验表征。
图8. 超声辅助液相剥离方法制备少层硼片的实验表征。
图9. ARPES表征银衬底上硼烯能带结构。
图 10. 硼烯/有机晶体的横向异质结原型器件
本文历史性地回顾了硼烯从概念的提出、理论上的探究直至最终的实验合成的研究历程。硼烯的实验合成，不仅仅是二维材料家族中增加了一个具有奇异性质和广泛应用前景的成员，它更确立了不具备层状结构的晶体制备成二维材料的经典范式。它的成功，使我们可以相信，任何结构复杂的晶体材料，经过理论和实验的不懈努力，都有可能制备成二维材料。
文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.201900392
新型二维原子晶体材料单层二硒化钒的“一维图案化”及其功能化
二硒化钒（VSe2）作为过渡金属二硫族化合物中的一员，其单层被预言具有二维磁性、高导电性、电催化等诸多独特性质，是备受关注的一种新型二维材料。对这种材料的图案化与功能化无疑能进一步丰富其物理特性，从而拓展其应用前景。因此，如何实现这种单层材料的图案化与功能化就成为了下一步亟需解决的科学问题。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士带领的研究团队多年来一直致力于新型二维晶体材料制备的探索、物性与应用基础研究，取得了一些国际引领性的研究成果。近期，该课题组博士生刘中流（实验）、雷宝（理论计算）等人成功实现了单层二硒化钒（VSe2）的一维图案化和对铂（Pt）原子的分散吸附，结合密度泛函（DFT）模拟计算研究了其结构及催化特性
图1：单层二硒化钒（VSe2）与一维图案化（1D patterned）单层二硒化钒间的可逆结构转变。高定向热解石墨（HOPG）表面单层的VSe2与一维图案化VSe2间可逆结构转变的过程示意图（a），二者的大范围扫描隧道显微镜（STM）图像（b，d）及对应原子分辨STM图（c，e）。
图2：单层的VSe2与一维图案化VSe2的计算结构模型和测量结果。（a）单层VSe2的结构模型。（b）单层VSe2的STM原子分辨图与STM模拟图。（c，d）单层一维图案化VSe2的结构模型，其中a=0.99 nm，b=0.34 nm，h=0.33 nm。（e）单层一维图案化VSe2的原子力显微镜（AFM）及STM原子分辨图与STM模拟图及结构模型。
图3：单层的VSe2与一维图案化VSe2结构可逆转变的具体过程。（a）HOPG上单层VSe2的STM图像。（b）图经过270℃退火后的样品STM图像，样品表面开始出现线缺陷。（c）图经过330℃退火后的样品STM图像，线缺陷数量增加并开始形成同一取向的畴。（d）图经过350℃退火后的样品STM图像，VSe2已经完全转变为一维图案化VSe2。该样品经过250℃加热同时沉积硒可以恢复成为原来的单层的VSe2。
图4：铂（Pt）原子在单层一维图案化VSe2表面的分散吸附及其催化计算。（a）干净的单层一维图案化VSe2样品的STM图像。（b）沉积Pt原子后的单层一维图案化VSe2样品的STM图像。（c，d）Pt的二聚体及单原子的STM放大图像。（e）单层一维图案化VSe2样品表面吸附的Pt多聚体按所含原子数的分布统计。（f）Pt单原子吸附在单层一维图案化VSe2的结构模拟图。（g）计算得到的Pt原子不同吸附形态对产氢反应（HER）的自由能的影响与Pt单晶比较。
深圳先进院揭示黑磷化学活性构建高效铂磷催化剂的机制
中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋课题组在黑磷化学活性和催化应用领域取得新进展，相关成果以Rapid Activation of Platinum via Black Phosphorus for Efficient Hydrogen Evolution（《黑磷对铂基电化学析氢催化剂的快速活化作用》）为题在线发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。论文共同第一作者是博士王欣和白力诚，通讯作者是喻学锋。论文合作者包括Paul K Chu和Seeram Ramakrishna等。
黑磷活化铂催化剂的性能示意图
在该项研究中，喻学锋团队揭示了黑磷对铂催化剂独特的活化作用，利用黑磷与铂之间独特的强吸附作用所自发形成的铂-磷键，有效调控了铂的电子结构。研究结果表明铂-磷键的形成，对铂纳米颗粒产生强大的协同配体效应，且该成键能力为黑磷所独有，红磷与铂就无法形成铂-磷键。铂-磷键能够促进铂催化剂的d带中心下移，从而改变电化学反应中间体的吸附自由能。通过改变黑磷烯的加入量可实现铂-磷键含量的调控，使得铂催化剂的电化学性能大幅提升。基于这种黑磷的活化作用，只需要很少量的黑磷烯，即可使得铂催化剂的电化学析氢性能提升3.5倍，且在室温条件下该反应数分钟内即可完成，这表明该铂磷催化剂具有巨大的应用价值。这项工作还为提升各种铂基催化剂的催化效率提供了新方法，对燃料电池和工业催化等领域的研究都具有重要意义。研发团队正依托合作企业兴发集团积极推动此类黑磷-金属复合催化剂的工业应用。
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资料来源：
湖南大学物理与微电子科学学院、材料牛、大连化学物理研究所、中科院物理所、深圳先进技术研究院
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