随着越来越多的新型二维材料被不断发现，二维材料已经涵盖了从绝缘体，到半导体，到导体的庞大家族。由于其原子级的厚度及光滑的表面，二维材料可以通过平面内水平拼接或平面外垂直堆叠的方式构建成水平异质结或垂直异质结。近期，基于二维材料的金属-半导体异质结吸引了大量的研究兴趣，通过将金属与半导体整合在二维结构中，其在输运，磁性等方面展现出很多单一二维金属或二维半导体中不存在的性质，并且其在电子器件，储能等领域展现出极大的应用前景。但是目前针对二维材料基金属-半导体异质结的相关研究较少，从材料制备到应用均有很大的探索空间，因而该领域仍处于研究的初级阶段并且急需科研工作者的密切关注。

       最近清华大学清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队发表了题为“Structure, Preparation, and Applications of 2D Material-Based Metal–Semiconductor Heterostructures”的综述性文章，该文从二维材料基金属-半导体异质结的结构、制备及应用的角度对近年来此类异质结的研究发展进行了总结，并对其面临的挑战及今后的发展方向进行了深入探讨与展望。
       该综述首先从结构和维度的角度对二维材料基金属-半导体异质结进行分类，并对每类结构的特点进行归纳。然后，文章对现有的二维材料基金属-半导体异质结的合成策略进行总结：对于水平异质结，主要围绕CVD生长和后处理方法进行介绍；对于垂直异质结，其方法主要包括范德华堆叠、CVD生长以及液相组装等策略。此外，基于金属-半导体异质结的奇特性质，文章对此类材料在电子器件和光电子器件、能源的储存与转化等方向的应用进行介绍，并讨论了此类材料在二维物理前沿探索中的重要性。最后，文章围绕着探索新型金属性二维材料、提高异质结制备可控性、理解异质结界面作用以及开发异质结应用这四个方面进行展望，为二维材料基金属-半导体异质结的下一步发展提供新的思路。相关综述在线发表在Small Structures (DOI: 10.1002/sstr.202000093)上。该论文通讯作者为成会明教授和刘碧录副教授，第一作者为博士生谭隽阳。该论文由国家自然科学基金委以及深圳市工信局、科创委和发改委等部门支持。

中科院沈阳金属研究所的成会明研究员和中科院大连化学物理研究所的吴忠帅研究员（共同通讯作者）联合总结报道了石墨烯和多孔石墨烯材料的化学性质和应用前景。在本文中，首先介绍了功能化石墨烯和GO的化学性质和处理方法，并介绍了构建多孔的典型步骤（面内孔、2D层状孔和3D互连孔组件等）。其次，总结了自组装以及定制PGMs的机制以突出显示精确控制孔的形态和孔径的意义。由于PGMs具有独特的孔结构、不同的形态和优异的性能，因此它们在能量存储、电催化和分子分离等各种应用中用作关键成分。最后，讨论了从了解化学自组装到特定应用中与PGMs相关的挑战，并提出了如何解决这些挑战的方案。总之，这为了解PGMs的化学性质和未来的应用发展提供了深刻见解。研究成果以题为“The Chemistry and Promising Applications of Graphene and Porous Graphene Materials”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

2019国家重大科研仪器研制项目-高低温液相电化学原位透射电镜样品杆研究平台的研制
批准号        51927803        学科分类        ( )
项目负责人        成会明       
依托单位        中国科学院金属研究所
资助金额        693.52万元       
项目类别        国家重大科研仪器研制项目       
研究期限        2020 年 01 月 01 日 至2024 年 12 月 31 日

       对具有高能量密度电池的需求不断增长，以便通过增加的功率消耗为便携式电子设备供电并且推进车辆电气化和电网能量存储，目前已经将锂电池技术推向了极其重要的位置。已知碳纳米管（CNTs）和石墨烯具有许多吸引人的性质，也强烈地被用于改善锂离子（Li离子）和锂-硫（Li-S）电池的性能。然而，缺乏对其在锂离子和锂离子电池中实际作用的客观理解。人们认识到CNTs和石墨烯不是合适的活性锂储存材料，但更像是一种调节剂：它们不与锂离子和电子发生电化学反应，但用于调节特定电活性材料的锂储存行为并增加锂电池的应用范围。首先，讨论了锂电池评估的指标，在此基础上，从基本电化学反应到电极结构和整体电池设计，全面考虑了CNTs和石墨烯在锂离子和锂离子电池中的调节作用。最后，介绍了碳纳米管和石墨烯如何进一步促进锂电池发展的观点。

       相关研究成果于2019年由中国科学院成会明课题组，发表在Adv. Mater.（DOI: 10.1002/adma.201800863）上。原文：The Regulating Role of Carbon Nanotubes and Graphene in Lithium-Ion and Lithium–Sulfur Batteries。

中国科学院深圳先进技术研究院的唐永炳，清华-伯克利深圳学院的成会明和美国俄勒冈州立大学的纪秀磊（共同通讯）作者等人，回顾了双离子电池（DIB）的发展历史和现状，分析DIB中正极中阴离子插层机理；负极的插层、合金化和动力学反应机制；分析了低成本、高性能DIB的发展前景和研究策略。相关成果以“Beyond Conventional Batteries: Strategies towards Low-Cost Dual-Ion Batteries with High Performances”为题发表在Angewandte Chemie-International Edition上。

DIB是一种超越传统电池的新型电池系统。本文概述了DIB的发展历程和反应机制，提出了发展策略。本文分析了DIB中涉及的反应动力学，包括正极的阴离子嵌入机理，阳离子嵌入，负极的合金化动力学。讨论了DIB的成本，电极材料的结构设计和新型电极材料的开发。


（1）比容量和能量密度不能满足要求。阴离子的离子半径（TFSI为3.9 Å，PF6-为4.36 Å，AlCl4-为5.28 Å）和间隙位置不足，导致理论比容量低（C20PF6为112 mAhg-1）和能量密度低。因此，进一步提高正极的比容量和提高DIB的能量密度是首要任务。可能的提升策略是：a）开发高比容量的碳质材料；b）探索分层结构的替代材料，；c）引入高比容量的正极；d）探索新型的多价阴离子。
（2）非锂阳离子的反应动力学相对较差。DIB的电化学性能，取决于阳离子的反应动力学，受到非锂阳离子的离子半径的限制（Na+为1.02 Å，K+为1.38 Å，Ca2+为1.00 Å）。因此，采取有效措施改善负极与非锂阳离子可逆合金化的反应动力学是必不可少的，这对于开发高性能的低成本DIB具有重要意义。解决方案包括：a）负极材料的结构设计和改进；b）开发新型高容量负极材料；c）使用优异动力学的新型反应机理。
（3）低成本电解质盐的溶解度有限。电解质是活性离子的唯一来源，作为DIB中活性材料的一部分。因此，开发高浓度电解质是解决该问题的可行方法。可能的策略如下：a）开发高溶解度电解质盐；b）探索合适的溶剂以促进电解质盐的溶解；c）利用助溶剂来改善溶解性电解质盐；d）探索高浓度的含水系统。
（4）库仑效率相对较低。DIB的另一个关键挑战是在前几个循环中相对较低的库仑效率。可能的改进策略如下：a）开发宽电压窗口的稳定电解质；b）寻找电解质添加剂，增加电解质的分解电压并提高SEI薄膜的稳定性；c）电极的表面改性；d）开发低电位的新型负离子阴极。
（5）缺乏对反应动力学的深入理解。作为一种新型电池系统，DIB赋予电池不同的反应机制，不同的电极反应，副反应和界面化学。尽管在DIB的研究已经取得了相当大的进展，但仍有许多基础科学问题需要深入研究。目前，DIB研究的大多数表征方法是非原位技术，不可能实时检测电化学过程中物理和化学性质的变化。因此，迫切需要各种原位分析工具。探讨DIB中电极的离子扩散，电极反应，界面现象和结构稳定性。尽管DIB取得了令人鼓舞的进步，但是DIB的商业化还有很长的路要走，并且需要进一步优化电化学性能并降低DIB的成本。然而，通过克服关键障碍，DIB的实际应用很有希望在未来实现。
文献链接：Beyond Conventional Batteries: Strategies towards Low-Cost Dual-Ion Batteries with High Performances（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI:10.1002/anie.201814294）。

题    目：“石墨烯等二维材料的制备与应用探索”

报告人：成会明 院士（炭材料科学家、中国科学院院士，中国科学院金属研究所研究员、清华-伯克利深圳学院教授，80级碳素专业校友）

地    点：湖南大学复临舍报告厅

时    间：2018年11月3日（周六）上午9:00-10:30

主持人：陈江华  教授

邀请人：材料科学与工程学院

承办人：材料学院“天马材料研究论坛”日常工作小组

报告人简介：

成会明，四川巴中人，工学博士、教授，中国科学院院士、发展中国家科学院院士。1984年毕业于湖南大学获学士学位，1987、1992年在中科院金属研究所获工学硕士和博士学位。现任清华-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室主任、中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部主任。主要从事碳纳米管、石墨烯、其他二维材料、能量转换和储存材料等研究。已获得发明专利100多项，多项被转移转化。在国内外学术会议上做特邀报告160多次，发表论文600余篇（其中2008-2017年ESI高被引论文88篇），被引用6.5万多次，是化学和材料两个领域高被引科学家。获国家自然科学二等奖（两项）、国防科技进步二等奖、何梁何利科学与技术进步奖、美国Charles E. Pettinos奖、德国Felcht奖、美国ACS Nano讲座奖等。曾任《Carbon》副主编、《新型炭材料》主编，现任《Energy Storage Materials》创刊主编、《Science China Materials》副主编。

报告摘要：

石墨烯等二维材料具有完美、高度有序的二维晶体结构和众多优异的理化性质，故被认为在电子和光电子器件、超灵敏传感器、柔性透明导电薄膜、超强和高导复合材料、高性能储能器件等领域具有广阔的应用前景。高质量石墨烯和其他二维材料的可控制备是实现其应用的基础。本报告在简要介绍石墨烯的结构和物性之后，重点阐述我们在高品质石墨烯和其他二维材料的制备和应用探索方面的研究进展。我们发展了一系列剥离方法和CVD方法制备出高质量氧化石墨烯和石墨烯以及其他二维材料微片、单晶、薄膜及三维网络结构宏观体，考察了其在柔性触控屏、储能器件、电磁屏蔽、弹性导体、散热、分离等领域的应用。这些进展将有望推动石墨烯等二维材料的发展及应用。

清华-伯克利深圳学院（TBSI）成会明、邹小龙团队Materials Today综述：二维纳米结构的计算设计和性质预测

二维材料新奇的性质使其在纳米电子、光电子、压电、谷电子、自旋电子等器件应用中具有巨大潜力，对具有奇特性质的新型二维材料的寻找与优化设计方兴未艾。由于二维材料往往具有大量的可能构型，过去的不断试错的实验研究方式在缺乏清晰指导的前提下成本太高，而通过与理论计算研究的有机互动可以在以下三个方面大大促进二维材料的研究进程：

1.理论计算可以促进新材料及新性质的预测；

2.理论计算可以预测新型二维材料的可能合成路径；

3.通过合理的模型设计，理论计算可为研究二维材料物理性质以及其对不同条件的响应提供了理想的平台。

截至目前理论研究已经产出了巨量的研究成果，亟需对该领域最近的进展、当前的挑战以及未来的机遇等进行系统性地总结和展望。

近日，清华大学清华-伯克利深圳学院（TBSI）低维材料与器件实验室成会明院士、邹小龙教授团队受邀在知名综述期刊Materials Today上发表了题为《Computational design and property predictions for two-dimensional nanostructures》的综述性学术论文。该综述从以硼烯为代表的二维材料的结构和生长路径预测出发，阐述理论计算对预测新材料和其生长路径的促进作用。针对二维结构多种奇特物理性质，系统性地总结了近年来二维材料设计和性质预测的重要成果，包括：二维狄拉克材料、高迁移率二维材料、二维半导体及其异质结、二维铁电、铁弹和压电材料、二维磁性材料以及二维材料的缺陷对其结构和性质的影响。文章进一步探讨了这些具有奇异性质的二维材料在电子、光电子、传感、电致形变以及自旋电子器件中的应用前景。最后，在此基础之上该文章总结了该领域目前的趋势和对未来发展的展望。

虽然理论计算取得了巨大的成功，并且其预测准确度也得到不少实验的验证，但是在未来的发展上仍面临一些重大挑战：

1.需要开发以有效的功能为导向的反向设计方法；

2.对理论预测的结果需要更严格的结构稳定判定以及更全面的势能面分析得出可能的合成路径；

3.针对近年来理论计算形成了庞大的数据库，需要开发高效的高通量计算和机器学习算法以促进二维材料的设计和优化。

该综述论文第一作者是清华-伯克利深圳学院（TBSI）2017级博士生徐润章，论文通讯作者为成会明院士和邹小龙教授。论文作者还包括刘碧录教授。

相关工作得到了中组部青年“##计划”、深圳市科创委、深圳市发改委等部门的支持。

文献链接：Computational design and property predictions for two-dimensional nanostructures ( Materials Today 2018, 4, 391-418, DOI: 10.1016/j.mattod.2018.03.00)

成会明&刘碧录综述：二维材料分散液的制备与应用

系统地分析、比较了各类剥离制备二维材料的方法，进而讨论并总结了基于剥离的二维材料分散液进行宏观体组装的各类技术。

二维材料相关研究近年来呈现出爆发式的增长趋势，这使得插层和剥离具有层状结构的块体材料以制备二维材料再次成为研究热点。相比于自下而上的制备方法，通过块体层状材料的剥离制备二维材料及其分散液的方法具有廉价、可大规模生产和与溶液加工兼容的优势。基于这种自上而下剥离的方法制备的二维材料及其分散液具有广阔的应用前景，包括电子、光电子、能源转换和储存、界面功能涂层等。

有鉴于此，清华-伯克利深圳学院（TBSI）成会明院士、刘碧录研究员团队从方法论和优劣势的角度系统地分析、比较了各类剥离制备二维材料的方法，进而讨论并总结了基于剥离的二维材料分散液进行宏观体组装的各类技术。

综述总览：二维材料分散液的制备、组装及其在各类器件中的应用

在此基础上，文章探讨了二维材料分散液及组装体在电子、光电子、电催化和能源存储等领域的应用。最后，文章提出了二维材料在制备及应用上的挑战，并提出了该领域可能的重要研究方向和机遇。

研究团队指出，在过去几年中，自上而下剥离块体层状材料制备二维材料分散液研究取得了迅速的发展。然而，要实现二维材料分散液在各领域的实际应用，仍然存在巨大的挑战。文章提出了以下几点该领域可能的重要研究方向和机遇：

(1) 大规模制备二维材料的方法；

(2) 独特二维材料的剥离；

(3) 剥离制备的二维材料的异质结组装；

(4) 非石墨烯二维材料的宏观体组装；

(5) 二维材料用作模型电催化剂；

(6) 金属性二维材料在能源转换和储存中的应用；

(7) 应用导向二维材料的合理选择和剥离。

Xingke Cai, Yuting Luo, Bilu Liu*, Hui-Ming Cheng*. Preparation of 2D material dispersions and their applications. Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/C8CS00254A

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs/c8cs00254a#!divAbstract

成会明教授是中国科学院院士，第三世界科学院院士。近年来，成会明教授的研究领域主要集中于石墨烯、碳纳米管等碳材料以及TiO2纳米晶的光催化，具体来说，主要涉及以下几个方面：

1）致力于石墨烯、碳纳米管的宏量控制合成

2）基于石墨烯、碳纳米管的先进储能材料的设计

3）基于TiO2纳米晶以及二维纳米材料的光催化研究

作为最早的一批参与碳纳米管和石墨烯研究的团队，成会明院士目前总被引用次数达到7万7千余次，h-指数高达124（来源于谷歌学术2018年5月27日）。2008年至2017年十年间被ESI列为高被引的文章有84篇，平均每6篇文章就有1篇高被引，2014—2017年连续四年入选高被引科学家榜单。