石墨烯量子點能級圖python

A. 石墨烯發熱原理

石墨烯發熱原理是基於單層石墨烯的特性，首先石墨烯是目前為止導熱系數最高的材料，具有非常好的熱傳導性能。其次石墨烯在室溫下載流子（導電離子）為15000cm/(v.s），這一數值超出硅材料的十倍，是目前已知載流子遷移率最高的物質銻化銦(InSb)的兩倍以上。

石墨烯存在於自然界，只是難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。

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石墨烯中電子載體和空穴載流子的半整數量子霍爾效應可以通過電場作用改變化學勢而被觀察到，而科學家在室溫條件下就觀察到了石墨烯的這種量子霍爾效應。

石墨烯中的載流子遵循一種特殊的量子隧道效應，在碰到雜質時不會產生背散射，這是石墨烯局域超強導電性以及很高的載流子遷移率的原因。石墨烯中的電子和光子均沒有靜止質量，他們的速度是和動能沒有關系的常數。

石墨烯是一種零距離半導體，因為它的傳導和價帶在狄拉克點相遇。在狄拉克點的六個位置動量空間的邊緣布里淵區分為兩組等效的三份。相比之下，傳統半導體的主要點通常為Γ，動量為零。

石墨烯的化學性質與石墨類似，石墨烯可以吸附並脫附各種原子和分子。當這些原子或分子作為給體或受體時可以改變石墨烯載流子的濃度，而石墨烯本身卻可以保持很好的導電性。但當吸附其他物質時，如H+和OH-時，會產生一些衍生物，使石墨烯的導電性變差，但並沒有產生新的化合物。

B. 電子科技大學材料與能源學院夏川教授在Nature Chemistry發表論文

近日，電子 科技 大學材料與能源學院夏川教授以第一作者和共同通訊作者身份在國際著名期刊Nature Chemistry (《自然–化學》)上發表題為「General synthesis of single-atom catalysts with high metal loading using graphene quantum dots」的研究論文。該研究開發了一套高載量過渡金屬單原子材料的普適性合成策略，實現了高達 40 wt.% 或 3.8 at.% 的高過渡金屬原子負載，比目前報道的單原子負載量提升了幾倍甚至數十倍。

該工作由電子 科技 大學、加拿大光源和美國萊斯大學三個單位共同合作完成。材料與能源學院的夏川教授為論文第一作者和通訊作者，美國萊斯大學的汪淏田教授和加拿大光源的胡永峰教授為論文通訊作者。該合作團隊在電催化材料研究和電化學反應器設計領域建立了堅實的基礎，並取得了豐碩的研究成果。

過渡金屬單原子材料具有極高的原子利用率、獨特的電子結構以及明晰且可調的配位結構，在各種電催化過程中展現出優異的活性。但常規單原子材料中金屬原子密度較低（通常小於5 wt.%或1 at.%），大大限制了其整體催化性能及工業應用前景，因此發展出高載量過渡金屬單原子材料普適性合成策略至關重要。現有「自上而下」和「自下而上」工藝對提高合成單原子材料的金屬負載量有很大的局限（圖1, a-b）。以碳材料負載的單原子為例，現有的「自上而下」方法通過在碳材料載體表面製造缺陷，然後通過缺陷穩定單原子。然而，無法精確調控缺陷尺寸導致缺陷位點的數目極大地受到限制，而且當金屬負載量提高時，容易在大尺寸的缺陷位處形成團簇。「自下而上」方法則使用金屬和有機物前驅體（如金屬有機框架、金屬-卟啉分子、金屬-有機小分子）熱解碳化的方式獲得負載金屬單原子的碳材料。在金屬負載量過大時，金屬原子之間將因為沒有足夠的隔離空間而導致熱解過程中團簇或者顆粒的產生。

鑒於此，該團隊發展了區別於現有「自上而下」和「自下而上」工藝的單原子催化材料制備方法（圖1c），以突破單原子負載量的限制。該團隊創新性地使用比表面大、熱穩定性高的石墨烯量子點作為碳基底，對其進行-NH2基團修飾，使其對金屬離子具有高配位活性。引入金屬離子後可得到以金屬離子作為節點、功能化石墨烯量子點作為結構單元的交聯網路，最後熱解即可得到高載量的金屬單原子材料。相較於傳統「自上而下」和「自下而上」的單原子催化劑合成方法，該研究報道的方法既保證了高含量金屬離子初始錨定時的高分散性又能有效抑制後續熱解過程基底燒結重構引起的金屬原子團聚。

XAFS、HADDF-STEM等多種表徵手段證明，由該法製得的負載型金屬單原子催化材料在保證金屬原子單分散的同時還能實現遠超現有文獻報道水平的金屬載量。藉助該方法，該團隊成功制備出質量分數高達41.6%（原子分數為3.84%）的Ir單原子催化材料（圖2），該負載量相較於文獻報道的Ir單原子最高載量提升了數倍。

另外，該合成策略還具有普適性，能夠用於制備其他貴金屬或非貴金屬的高載量金屬單原子催化材料。例如，在碳基底材料上，Pt單原子的負載量最高可達32.3 wt.%，Ni單原子負載量可達15 wt.%（圖3）。

夏川，電子 科技 大學材料與能源學院教授，國家青年人才。研究方向為基於新能源的電催化、電合成、電化學生物合成，致力於實現碳平衡的能量與物質循環。在「液體燃料與基礎化學品現場合成」這一特色方向開展了深入、系統的研究，在反應器與催化劑設計領域均取得豐碩成果，共發表學術論文50餘篇，授權美國專利3項，H因子34，引用5200餘次。近五年來，以第一作者/通訊作者身份在Science、Nat. Energy、Nat. Catal.、Nat. Chem.等國內外高水平期刊共發表論文20餘篇，其中ESI高被引論文9篇，熱點論文2篇。

C. 怎麼用chem3d畫石墨層

ChemOffice 15.1是最新的化學繪圖工具套件，總共有三個組件，其中ChemDraw 15.1 Pro和ChemOffice 15.1 Pro可以畫3D圖，因為這兩個版本中均含有Chem 3D功能組件。
Chem 3D組件是ChemOffice的主要模塊，用於分子的三維空間模型顯示與構造，並可以結合分子力學(MM)或量子力學(QC)方法對分子構型進行優化和性質計算，所以說這是一個具有較強功能的結構化學計算軟體。Chem 3D組件主要功能有：繪制包括原子、化學鍵等三維圖形、便捷地顯示體系的鍵長鍵角和二面角等信息、提供多種（線、棒、球棒、比例）等3D顯示形式、可以製作3D動畫。Chem 3D畫3D圖步驟詳解：第一步：如果用戶想使用ChemOffice 15.1畫3D圖的話，首先要有一個具備Chem 3D組件的版本，比如ChemOffice 15.1 Pro。第二步：在菜單欄中選擇需要的3D顯示形式。第三步：依次在繪制窗口單擊即可生成需要的3D圖，如果用戶想讓3D圖更加美觀可以使用Structure菜單下的Clean Up命令整理一下結構。
石墨烯(Graphene)是一種以sp_雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的新材料 。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和葯物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。 英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯常見的粉體生產的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產方法為化學氣相沉積法(CVD)。2018年3月31日，中國首條全自動量產石墨烯有機太陽能光電子器件生產線在山東菏澤啟動。202I年10月31日，"2021中國福建(永安)石墨烯創新創業大賽暨項目成果對接會"閉幕。會上，工信部賽迪研究院發布了《中國石墨烯產業發展競爭力指數(2021)》 。

D. 研究揭示了雙層石墨烯的奇異量子態

來自布朗大學和哥倫比亞大學的研究人員已經證明，在二維納米材料石墨烯的雙層堆疊中，出現了以前未知的物質狀態。這些新的狀態被稱為分數量子霍爾效應，是由石墨烯層內外電子的復雜相互作用產生的。

布朗大學物理學助理教授李佳(音譯)說:「研究結果表明，將二維材料緊密堆放在一起會產生全新的物理效果。」「就材料工程學而言，這項研究表明，這些分層系統可以創造出利用這些量子霍爾態的新型電子設備。」

這項研究發表在《自然物理》雜志上。重要的是，哥倫比亞大學工程學院機械工程學王鳳仁教授Hone說，這些新的量子霍爾態中的一些「可能在製造容錯量子計算機方面有用」。

當磁場垂直於電流方向作用於導電材料時，就會產生霍爾效應。磁場使電流發生偏轉，產生橫向電壓，稱為霍爾電壓。霍爾電壓強度隨磁場強度的增大而增大。量子霍爾效應最早是在1980年進行的低溫和強磁場實驗中發現的。

實驗表明，霍爾電壓不是隨著磁場強度的增加而平穩地增加，而是呈階梯(或量子化)方式增加。這些步驟是自然基本常數的整數倍，完全獨立於實驗所用材料的物理組成。這一發現被授予1985年諾貝爾物理學獎。

幾年後，研究人員在接近絕對零度的溫度和很強的磁場下發現了量子霍爾態的新類型，其中霍爾電壓中的量子步長對應於分數，因此被稱為分數量子霍爾效應。分數量子霍爾效應的發現在1998年獲得了另一個諾貝爾獎。理論學家後來提出，分數量子霍爾效應與被稱為復合費米子的准粒子的形成有關。在這種狀態下，每個電子與一個磁通量子結合，形成一個復合費米子，攜帶一個電子電荷的一部分，從而產生霍爾電壓的分數值。

復合費米子理論已經成功地解釋了在單個量子阱系統中觀察到的無數現象。這項新研究使用雙層石墨烯來研究兩個量子阱靠近時會發生什麼。理論認為兩層之間的相互作用將產生一種新型的復合費米子，但在實驗中從未見過。

在實驗中，該團隊在哥倫比亞大學多年的工作基礎上，改進了石墨烯器件的質量，完全用原子平面二維材料製作了超清潔器件。該結構的核心由兩層石墨烯層組成，石墨烯層之間由一薄層六角形氮化硼作為絕緣屏障隔開。雙層結構採用六方氮化硼作為保護絕緣體封裝，石墨作為導電柵改變通道內電荷載流子密度。

哥倫比亞大學物理學教授迪恩說:「石墨烯驚人的多功能性再一次讓我們突破了以往設備結構的極限。」「我們製造這些設備的精確性和可調性，現在讓我們可以 探索 整個物理學領域，而這個領域最近被認為是完全不可企及的。」

石墨烯結構隨後暴露在強磁場中——比地球磁場強數百萬倍。這項研究產生了一系列分數量子霍爾態，其中一些與復合費米子模型非常吻合，而另一些則從未被預測或發現。

「除了層間復合費米子，我們還發現了復合費米子模型中無法解釋的其他特徵，」該論文的第一作者之一、哥倫比亞大學博士後施千惠(音譯)說。「一項更仔細的研究顯示，令我們驚訝的是，這些新狀態是由復合費米子之間的配對產生的。相鄰層與同一層之間的配對相互作用產生了各種新的量子現象，使得雙層石墨烯成為一個令人興奮的研究平台。」

「特別有趣的是，」Hone說，「有幾個新的狀態有可能承載非阿貝爾波函數——這些狀態不太符合傳統的復合費米子模型。」在非阿貝爾態中，電子保持著一種對它們過去相對位置的「記憶」。這有可能使量子計算機不需要糾錯，而糾錯目前是該領域的一個主要障礙。

文章轉載自公眾號：石墨烯雷達

E. 普林斯頓大學：在量子疊加態中觀察石墨烯晶體中的電子

普林斯頓大學的科學家們使用創新技術來觀察石墨烯晶體中的電子。石墨烯具有單原子層的碳原子。他們發現，高磁場中電子之間的強相互作用促使它們形成不尋常的晶體狀結構。這些晶體表現出與處於量子疊加態的電子相對應的空間周期性。這一發現揭示了電子由於相互作用而可以形成的復雜量子相，這是許多材料中廣泛現象的基礎。

當代 科技 通過施加強磁場，以及最近將多層石墨烯堆疊在一起來控制電子如何相互作用。石墨烯的發現導致了2010年的諾貝爾物理學獎，為 探索 電子物理學，特別是研究電子的集體行為方式開辟了一個新領域。

現在，普林斯頓研究人員發現，石墨烯中電子之間的強相互作用，驅使它們形成具有由量子效應決定的復雜圖案的晶體結構疊加，電子同時存在於多個原子位點。發表在最近《科學》雜志上的這項實驗還表明，這種新型量子晶體具有與電子波函數的奇異變形。

以前的研究表明，石墨烯表現出新穎的電學特性，但從未有研究能夠如此深入地以如此空間解析度來觀察量子態的本質。

為了達到這種無與倫比的解析度水平，研究人員使用基於「量子隧穿」效應的掃描隧道顯微鏡，在非常高的真空下運行，以保持樣品表面清潔，並在非常低的溫度下進行高解析度測量，不受熱流動的干擾。

顯微鏡還能夠在電子達到由其量子特性支配的最低能量狀態時觀察它們。在存在磁場的情況下，顯微鏡可用於確定量化能級的空間結構。能量的量子化是所存在的離散的能量值，沒有任何中間值，這是量子物理理論的一個特徵，與經典物理學相反，經典物理 學允許連續的能量值。

研究人員將注意力集中在石墨烯中能量最低的量子化能級上，使用顯微鏡繪制了存在磁場時最低量子化能級的波函數圖。當石墨烯通過附近的電門調到中性狀態時，研究人員發現了復雜的電子波模式。

在金屬中，電子的波函數分布在整個晶體中，而在普通絕緣體中，電子被凍結，對原子位置的晶體結構沒有任何特別的偏好。在非常低的場中，掃描隧道顯微鏡圖像顯示石墨烯的電子波函數選擇了一個亞晶格位點而不是另一個。更重要的是，通過增加磁場，觀察到顯著的鍵狀圖案，這對應於電子的波函數存在於量子疊加中，意味著一個電子同時占據兩個不等價的位置。

該研究團隊與加州大學伯克利分校合作，開發了一種從掃描隧道顯微鏡數據中提取電子量子波函數的數學特性的方法，即描述其量子疊加的所謂相位角。分析揭示了這些相位角之一在缺陷周圍的顯著纏繞，以及另一個角度的相關變化。