轻元素先进材料与器件

Group Leader:刘开辉

Position

◆ 松山湖材料实验室轻元素先进材料与器件团队负责人
◆ 北京大学物理学院研究员,博士生导师

Research Direction

深入研究米级单晶材料制备技术和纳米光谱学表征技术,在二维材料超快生长设计、米级单晶材料制造、先进纳米光谱学表征技术发展、低维材料结构和物理研究方向取得了多项创新性研究成果。

Main Achievemnets

◆ 发表SCI论文100余篇(google scholar引用率~5000,h因子39),其中通讯作者Nature(2篇)、Nature 子刊(7篇)、PNAS、JACS (2篇)、Advanced Materials (8篇)
◆ 近五年获得授权国家发明专利14项,主编专著1本

由来自北京大学、中国科学院大学、中科院物理研究所、大连理工大学、山东大学等单位的人员组成,团队总体人数13人,博士3人,硕士5人,本科3人,其他2人。

团队负责人:刘开辉

团队成员:刘科海、何梦林、王应白、寇金宗、杨方友、丁志强、张超、乐湘斌、张志强、陈益、杨秀华,黄智

 

项目介绍

轻元素先进材料与器件团队作为首批入驻松山湖材料实验室的创新团队,聚焦国家重大战略需求及产业化核心技术研发,瞄准单晶薄膜材料未来产业的高规格材料之源,抢占轻元素薄膜原材料与先进器件制备技术制高点,打造高端轻元素单晶材料生产基地,研发具有特定结构和优异性能的轻元素单晶材料与器件系列产品。

自2004年石墨烯被发现以来,轻元素二维材料成为了物理、材料、化学、纳米科技等诸多领域最前沿的研究。基于二维金属、半导体、绝缘体材料构成的全二维材料电子、光电子器件具有非常广阔的应用前景,将对多个领域产生颠覆性的影响。

本项目围绕轻元素先进材料,主要拟开展:面向产业化的二维轻元素先进单晶材料的制备研究和二维单晶材料与器件核心技术的开发研究;面向产业化的单晶材料制备为项目提供高质量的材料基础;材料与器件核心技术开发研究为项目提供科学基础和应用方向探索。

 

主要研究方向包括:

(一)单晶铜箔/石墨烯研究与开发

单晶铜箔由于没有晶界的存在,缺陷少,故而导电性更好、耐腐蚀性更强、柔韧性更高,可以满足各种高端应用的需求。对比退火前后的多晶和单晶铜箔,单晶铜箔的电阻率相比多晶铜箔更低,而且其表面粗糙度也将有一定的的降低。

(二)单晶石墨烯研究与开发

团队成功实现大尺寸单晶石墨烯的制备。利用温度梯度驱动晶界运动的方法,成功将工业多晶铜箔转化成了单晶铜。然后用单晶铜作为石墨烯生长基底,实现石墨烯外延生长和无缝拼接,并结合超快石墨烯生长技术,成功在短时间内制备出大尺寸的单晶石墨烯薄膜。

 

项目意义

团队致力于在金属箔材衬底上CVD批量制备高品质单晶石墨烯、氮化硼薄膜,结合大型装备研发,发展大尺寸、大单晶、超洁净轻元素单晶材料的批量制备技术,形成高品质轻元素单晶原材料的生产示范生产线,开发一系列高品质轻元素单晶材料产品,配套研发一系列颠覆性先进声光电器件,掌握高质量轻元素单晶材料与器件制备的关键技术。其主要意义包括:

(一)实现高导电的单晶铜箔规模化制备

当前市场上多晶铜箔得到广泛应用,但其存在的大量晶界,降低了各项性能,包括电学、热学、力学、防腐蚀等,单晶铜是由一个晶粒长大而形成,因此没有晶界,并且晶格缺陷较少。相对于多晶铜而言,单晶铜由于没有晶界、几乎没有缺陷等特点,具有更好的导电性能和传输特性。然而,单晶铜箔制造面临制备方法繁冗、单晶面积小、规模性大面积制备难等问题。

因此,开展大尺寸单晶铜箔规模化制备等基础科学问题与关键技术研究,对推动我国未来通讯技术创新领域具有重大前瞻性与紧迫性。

(二)实现高质量单晶石墨烯规模化制备

石墨烯是目前发现的最薄、最硬、最强、最导热、最导电的一种新型材料,被称为“黑金”,是“新材料之王”科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。但是,目前制备的石墨烯一般都是多晶薄膜,晶界的存在严重破坏了石墨烯的电学、力学、热学和光学性质。制备出没有晶界的大尺寸单晶石墨烯具有非常重要的意义,简单来说“这才是真正的石墨烯”。大单晶石墨烯才是能让石墨烯真正应用于高精尖领域的杀手锏。因此,大尺寸单晶石墨烯的制备一直是石墨烯研究领域的核心问题。

(三)实现基于单晶薄膜材料的先进声光电器件的配套研发

 

潜在市场

(一)面向通讯领域的单晶铜箔材料,替换传统压延铜箔和电解铜箔。

2018年全球电子铜箔市场约为62亿美金。应用本产品可降低电阻率近10%。

(二)面向电力传输领域的单晶铜箔材料,替代传统铜材料。

中国输配电及电机用电损耗近3000 亿元/年。利用本产品可应用本产品可降低电阻率近10%(可以解决目前电力设备及电力传输等领域功耗过大的世界性难题(初步估计,全国电机中的10%采用以米级单晶铜箔为基础制造的核心器件,可以为国家每年节约用电约27亿度)。

成果转移转化

(一) 知识产权

已提交申请发明专利10项。

(二)已开发产品

利用表界面调控控制成核和单核异常长大技术实现30余种晶面、A4纸尺寸单晶铜箔库的可控制备。

(三)项目支持

1、团队与多孔陶瓷、透明陶瓷两个团队共同承担东莞市重大科技成果转化团队项目(先进陶瓷与复合材料技术产业化团队项目),项目总经费1个亿,这是东莞市首个重大科技成果转化团队项目。项目的实施将对材料实验室其他创新样板团队科技成果在莞转化提供示范,意义重大。

2、团队作为牵头单位,联合北京大学、华南师范大学合作承担广东省重点领域研发计划项目,项目名称为单晶铜箔的研究与开发,项目总经费1200万。

(四)产业化

已成立产业化公司,负责相关领域成果的转移转化。