石墨烯量子点能级图python

A. 石墨烯发热原理

石墨烯发热原理是基于单层石墨烯的特性，首先石墨烯是目前为止导热系数最高的材料，具有非常好的热传导性能。其次石墨烯在室温下载流子（导电离子）为15000cm/(v.s），这一数值超出硅材料的十倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟(InSb)的两倍以上。

石墨烯存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

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石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，而科学家在室温条件下就观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。

石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这是石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子均没有静止质量，他们的速度是和动能没有关系的常数。

石墨烯是一种零距离半导体，因为它的传导和价带在狄拉克点相遇。在狄拉克点的六个位置动量空间的边缘布里渊区分为两组等效的三份。相比之下，传统半导体的主要点通常为Γ，动量为零。

石墨烯的化学性质与石墨类似，石墨烯可以吸附并脱附各种原子和分子。当这些原子或分子作为给体或受体时可以改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯本身却可以保持很好的导电性。但当吸附其他物质时，如H+和OH-时，会产生一些衍生物，使石墨烯的导电性变差，但并没有产生新的化合物。

B. 电子科技大学材料与能源学院夏川教授在Nature Chemistry发表论文

近日，电子 科技 大学材料与能源学院夏川教授以第一作者和共同通讯作者身份在国际着名期刊Nature Chemistry (《自然–化学》)上发表题为“General synthesis of single-atom catalysts with high metal loading using graphene quantum dots”的研究论文。该研究开发了一套高载量过渡金属单原子材料的普适性合成策略，实现了高达 40 wt.% 或 3.8 at.% 的高过渡金属原子负载，比目前报道的单原子负载量提升了几倍甚至数十倍。

该工作由电子 科技 大学、加拿大光源和美国莱斯大学三个单位共同合作完成。材料与能源学院的夏川教授为论文第一作者和通讯作者，美国莱斯大学的汪淏田教授和加拿大光源的胡永峰教授为论文通讯作者。该合作团队在电催化材料研究和电化学反应器设计领域建立了坚实的基础，并取得了丰硕的研究成果。

过渡金属单原子材料具有极高的原子利用率、独特的电子结构以及明晰且可调的配位结构，在各种电催化过程中展现出优异的活性。但常规单原子材料中金属原子密度较低（通常小于5 wt.%或1 at.%），大大限制了其整体催化性能及工业应用前景，因此发展出高载量过渡金属单原子材料普适性合成策略至关重要。现有“自上而下”和“自下而上”工艺对提高合成单原子材料的金属负载量有很大的局限（图1, a-b）。以碳材料负载的单原子为例，现有的“自上而下”方法通过在碳材料载体表面制造缺陷，然后通过缺陷稳定单原子。然而，无法精确调控缺陷尺寸导致缺陷位点的数目极大地受到限制，而且当金属负载量提高时，容易在大尺寸的缺陷位处形成团簇。“自下而上”方法则使用金属和有机物前驱体（如金属有机框架、金属-卟啉分子、金属-有机小分子）热解碳化的方式获得负载金属单原子的碳材料。在金属负载量过大时，金属原子之间将因为没有足够的隔离空间而导致热解过程中团簇或者颗粒的产生。

鉴于此，该团队发展了区别于现有“自上而下”和“自下而上”工艺的单原子催化材料制备方法（图1c），以突破单原子负载量的限制。该团队创新性地使用比表面大、热稳定性高的石墨烯量子点作为碳基底，对其进行-NH2基团修饰，使其对金属离子具有高配位活性。引入金属离子后可得到以金属离子作为节点、功能化石墨烯量子点作为结构单元的交联网络，最后热解即可得到高载量的金属单原子材料。相较于传统“自上而下”和“自下而上”的单原子催化剂合成方法，该研究报道的方法既保证了高含量金属离子初始锚定时的高分散性又能有效抑制后续热解过程基底烧结重构引起的金属原子团聚。

XAFS、HADDF-STEM等多种表征手段证明，由该法制得的负载型金属单原子催化材料在保证金属原子单分散的同时还能实现远超现有文献报道水平的金属载量。借助该方法，该团队成功制备出质量分数高达41.6%（原子分数为3.84%）的Ir单原子催化材料（图2），该负载量相较于文献报道的Ir单原子最高载量提升了数倍。

另外，该合成策略还具有普适性，能够用于制备其他贵金属或非贵金属的高载量金属单原子催化材料。例如，在碳基底材料上，Pt单原子的负载量最高可达32.3 wt.%，Ni单原子负载量可达15 wt.%（图3）。

夏川，电子 科技 大学材料与能源学院教授，国家青年人才。研究方向为基于新能源的电催化、电合成、电化学生物合成，致力于实现碳平衡的能量与物质循环。在“液体燃料与基础化学品现场合成”这一特色方向开展了深入、系统的研究，在反应器与催化剂设计领域均取得丰硕成果，共发表学术论文50余篇，授权美国专利3项，H因子34，引用5200余次。近五年来，以第一作者/通讯作者身份在Science、Nat. Energy、Nat. Catal.、Nat. Chem.等国内外高水平期刊共发表论文20余篇，其中ESI高被引论文9篇，热点论文2篇。

C. 怎么用chem3d画石墨层

ChemOffice 15.1是最新的化学绘图工具套件，总共有三个组件，其中ChemDraw 15.1 Pro和ChemOffice 15.1 Pro可以画3D图，因为这两个版本中均含有Chem 3D功能组件。
Chem 3D组件是ChemOffice的主要模块，用于分子的三维空间模型显示与构造，并可以结合分子力学(MM)或量子力学(QC)方法对分子构型进行优化和性质计算，所以说这是一个具有较强功能的结构化学计算软件。Chem 3D组件主要功能有：绘制包括原子、化学键等三维图形、便捷地显示体系的键长键角和二面角等信息、提供多种（线、棒、球棒、比例）等3D显示形式、可以制作3D动画。Chem 3D画3D图步骤详解：第一步：如果用户想使用ChemOffice 15.1画3D图的话，首先要有一个具备Chem 3D组件的版本，比如ChemOffice 15.1 Pro。第二步：在菜单栏中选择需要的3D显示形式。第三步：依次在绘制窗口单击即可生成需要的3D图，如果用户想让3D图更加美观可以使用Structure菜单下的Clean Up命令整理一下结构。
石墨烯(Graphene)是一种以sp_杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料 。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。 英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。2018年3月31日，中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动。202I年10月31日，"2021中国福建(永安)石墨烯创新创业大赛暨项目成果对接会"闭幕。会上，工信部赛迪研究院发布了《中国石墨烯产业发展竞争力指数(2021)》 。

D. 研究揭示了双层石墨烯的奇异量子态

来自布朗大学和哥伦比亚大学的研究人员已经证明，在二维纳米材料石墨烯的双层堆叠中，出现了以前未知的物质状态。这些新的状态被称为分数量子霍尔效应，是由石墨烯层内外电子的复杂相互作用产生的。

布朗大学物理学助理教授李佳(音译)说:“研究结果表明，将二维材料紧密堆放在一起会产生全新的物理效果。”“就材料工程学而言，这项研究表明，这些分层系统可以创造出利用这些量子霍尔态的新型电子设备。”

这项研究发表在《自然物理》杂志上。重要的是，哥伦比亚大学工程学院机械工程学王凤仁教授Hone说，这些新的量子霍尔态中的一些“可能在制造容错量子计算机方面有用”。

当磁场垂直于电流方向作用于导电材料时，就会产生霍尔效应。磁场使电流发生偏转，产生横向电压，称为霍尔电压。霍尔电压强度随磁场强度的增大而增大。量子霍尔效应最早是在1980年进行的低温和强磁场实验中发现的。

实验表明，霍尔电压不是随着磁场强度的增加而平稳地增加，而是呈阶梯(或量子化)方式增加。这些步骤是自然基本常数的整数倍，完全独立于实验所用材料的物理组成。这一发现被授予1985年诺贝尔物理学奖。

几年后，研究人员在接近绝对零度的温度和很强的磁场下发现了量子霍尔态的新类型，其中霍尔电压中的量子步长对应于分数，因此被称为分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应的发现在1998年获得了另一个诺贝尔奖。理论学家后来提出，分数量子霍尔效应与被称为复合费米子的准粒子的形成有关。在这种状态下，每个电子与一个磁通量子结合，形成一个复合费米子，携带一个电子电荷的一部分，从而产生霍尔电压的分数值。

复合费米子理论已经成功地解释了在单个量子阱系统中观察到的无数现象。这项新研究使用双层石墨烯来研究两个量子阱靠近时会发生什么。理论认为两层之间的相互作用将产生一种新型的复合费米子，但在实验中从未见过。

在实验中，该团队在哥伦比亚大学多年的工作基础上，改进了石墨烯器件的质量，完全用原子平面二维材料制作了超清洁器件。该结构的核心由两层石墨烯层组成，石墨烯层之间由一薄层六角形氮化硼作为绝缘屏障隔开。双层结构采用六方氮化硼作为保护绝缘体封装，石墨作为导电栅改变通道内电荷载流子密度。

哥伦比亚大学物理学教授迪恩说:“石墨烯惊人的多功能性再一次让我们突破了以往设备结构的极限。”“我们制造这些设备的精确性和可调性，现在让我们可以 探索 整个物理学领域，而这个领域最近被认为是完全不可企及的。”

石墨烯结构随后暴露在强磁场中——比地球磁场强数百万倍。这项研究产生了一系列分数量子霍尔态，其中一些与复合费米子模型非常吻合，而另一些则从未被预测或发现。

“除了层间复合费米子，我们还发现了复合费米子模型中无法解释的其他特征，”该论文的第一作者之一、哥伦比亚大学博士后施千惠(音译)说。“一项更仔细的研究显示，令我们惊讶的是，这些新状态是由复合费米子之间的配对产生的。相邻层与同一层之间的配对相互作用产生了各种新的量子现象，使得双层石墨烯成为一个令人兴奋的研究平台。”

“特别有趣的是，”Hone说，“有几个新的状态有可能承载非阿贝尔波函数——这些状态不太符合传统的复合费米子模型。”在非阿贝尔态中，电子保持着一种对它们过去相对位置的“记忆”。这有可能使量子计算机不需要纠错，而纠错目前是该领域的一个主要障碍。

文章转载自公众号：石墨烯雷达

E. 普林斯顿大学：在量子叠加态中观察石墨烯晶体中的电子

普林斯顿大学的科学家们使用创新技术来观察石墨烯晶体中的电子。石墨烯具有单原子层的碳原子。他们发现，高磁场中电子之间的强相互作用促使它们形成不寻常的晶体状结构。这些晶体表现出与处于量子叠加态的电子相对应的空间周期性。这一发现揭示了电子由于相互作用而可以形成的复杂量子相，这是许多材料中广泛现象的基础。

当代 科技 通过施加强磁场，以及最近将多层石墨烯堆叠在一起来控制电子如何相互作用。石墨烯的发现导致了2010年的诺贝尔物理学奖，为 探索 电子物理学，特别是研究电子的集体行为方式开辟了一个新领域。

现在，普林斯顿研究人员发现，石墨烯中电子之间的强相互作用，驱使它们形成具有由量子效应决定的复杂图案的晶体结构叠加，电子同时存在于多个原子位点。发表在最近《科学》杂志上的这项实验还表明，这种新型量子晶体具有与电子波函数的奇异变形。

以前的研究表明，石墨烯表现出新颖的电学特性，但从未有研究能够如此深入地以如此空间分辨率来观察量子态的本质。

为了达到这种无与伦比的分辨率水平，研究人员使用基于“量子隧穿”效应的扫描隧道显微镜，在非常高的真空下运行，以保持样品表面清洁，并在非常低的温度下进行高分辨率测量，不受热流动的干扰。

显微镜还能够在电子达到由其量子特性支配的最低能量状态时观察它们。在存在磁场的情况下，显微镜可用于确定量化能级的空间结构。能量的量子化是所存在的离散的能量值，没有任何中间值，这是量子物理理论的一个特征，与经典物理学相反，经典物理 学允许连续的能量值。

研究人员将注意力集中在石墨烯中能量最低的量子化能级上，使用显微镜绘制了存在磁场时最低量子化能级的波函数图。当石墨烯通过附近的电门调到中性状态时，研究人员发现了复杂的电子波模式。

在金属中，电子的波函数分布在整个晶体中，而在普通绝缘体中，电子被冻结，对原子位置的晶体结构没有任何特别的偏好。在非常低的场中，扫描隧道显微镜图像显示石墨烯的电子波函数选择了一个亚晶格位点而不是另一个。更重要的是，通过增加磁场，观察到显着的键状图案，这对应于电子的波函数存在于量子叠加中，意味着一个电子同时占据两个不等价的位置。

该研究团队与加州大学伯克利分校合作，开发了一种从扫描隧道显微镜数据中提取电子量子波函数的数学特性的方法，即描述其量子叠加的所谓相位角。分析揭示了这些相位角之一在缺陷周围的显着缠绕，以及另一个角度的相关变化。