摩尔粉剂

导读 01 复旦大学生命科学学院唐惠儒教授团队在期刊《Journal of the American Chemical Society》上发表了题为“Detecting Submicromolar Analytes in Mixtures with a 5 min Acquisition on 600 MHz NMR Spectrometers”的研究论文，研究人员报告了一种新策略，通过结合探针诱导的灵敏度增强和基于NUS的1H-13C HSQC 2D NMR（PRISE-NUS-HSQC），在经济高效的常规600 MHz光谱仪上进行5分钟采集，即可同时检测复杂混合物中的亚微摩尔氨基化合物。研究背景 02 氨基化合物广泛存在于化学、生物学、医学、食品和环境科学等领域的复杂混合物中，涉及药物杂质、蛋白质代谢、生物系统中的生物胺、神经递质和嘧啶等。核磁共振（NMR）光谱是一种优秀的工具，可以同时鉴定和定量这些混合物中的化合物，但其检测限度（LOD）在几微摩尔以上（5 μM）。研究发现 03 研究人员开发了一种敏感而快速的方法，通过结合探针诱导的灵敏度增强和非均匀采样基于1H-13C HSQC 2D-NMR（PRISE-NUS-HSQC），引入了两个13CH3标记物，分别增加了每个分析物的1H和13C丰度，最多可增加6倍和200倍。这使得能够在5 mm试管中以5分钟采集时间在600 MHz光谱仪上高分辨率检测0.4-0.8μM的分析物混合物。该方法比传统的1H-13C HSQC方法（约50μM，10小时）更敏感且更快。此外，研究人员使用磺胺酸作为单一参考物，建立了一个数据库，涵盖了100多个化合物的化学位移和相对响应因子，从而实现了可靠的鉴定和定量。研究结果 04 综上所述，研究人员通过将探针诱导的灵敏度增强与基于NUS的1H-13C HSQC 2D-NMR相结合，开发出了一种同时定量复杂混合物中氨基化合物的新策略。该方法在多种生物基质中展示了良好的定量线性、准确性、精密度和适用性，为化学、药物、代谢组学、食品和其他混合物的大规模定量分析提供了一种快速而敏感的方法。

从“买不到”到“买不起”，自2020年底开始的全球范围内的“缺芯荒”，有着愈演愈烈之势，芯片价格飙涨至5倍仍不见停。全球性芯片荒似乎没有经过多少时日，就如多米诺骨牌一样，冲击着全球百余行业，从汽车、钢铁产品、混凝土生产到空调制造，甚至包括肥皂生产，都或多或少受之影响，多位业内专家表示，至少要到2022年全球芯片供应链才能恢复正常化。随着5G通讯、智能汽车及线上化办公的发展，仿佛一夜之间人们对芯片的需求就提升了数个级别。芯片产业的发展，对单晶晶圆及单晶硅材料的需求也一夜暴涨。众所周知，单晶晶圆及单晶硅材料是制造半导体芯片的基本材料，也是集成电路产业的基石。目前最广泛使用的半导体晶圆材料为单晶硅晶圆，此外还有以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料，以及以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为代表的第三代半导体材料。1975年，Intel创始人之一的戈登摩尔提出摩尔定律后，集成电路一直沿着“当价格不变，每18个月晶体管的密度增加一倍、性能提升一倍”的路径发展。单晶硅作为芯片产业中最为关键的基础材料已发展了数十年，在晶体管尺寸接近物理极限、经济成本越来越高的当下，集成电路发展遇到了挑战，产业发展进入“后摩尔时代”，如何在摩尔定律之外进行材料创新，更显得尤为重要。6月9日，世界半导体大会在南京召开，中国科学院院士、上海交通大学党委常委、副校长毛军发在主题演讲中表示，集成电路的发展有可能会绕开摩尔定律，往异质集成电路上发展。所谓异质集成电路，即是将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件（芯片）、硅基低成本高集成器件/芯片（都含光电子器件或芯片），与无源元件或天线，通过异质键合成或外延生长等方式集成而实现。而在这个过程中，单晶化石墨烯无论是作为外延生长衬底材料，还是新型器件材料，都拥有广阔的发展空间。石墨烯是由碳原子组成的六角蜂窝状二维原子晶体材料，具有线性色散的狄拉克锥形能带结构，载流子有效质量为零，迁移率极高，拥有非常优异的物理性能。而石墨烯薄膜材料又有单晶和多晶之分。与传统的多晶石墨烯相比，单晶化石墨烯具有多种优势。多晶石墨烯晶粒畴区小且不均一，晶粒尺寸通常为5-20 µm，但单晶的晶粒最大可达厘米级。单晶石墨烯的载流子迁移率室温下约为 300000 cm2/Vs，远高于多晶石墨烯由于存在晶界限制的1000-3000 cm2/Vs。此外，多晶石墨烯层数调控性差，且存在大量的本征缺陷，这导致了其电学、力学、热学等诸多优良性质的降低。相比之下，单晶石墨烯性能优异，可构筑高性能的电子器件或光电子器件，逐渐成为硅基电子学器件的有力竞争者和补充者。石墨烯材料想要进入芯片、光电等高精尖领域，类比于基于硅晶圆的硅电子器件，基础则是单晶化石墨烯材料的批量制备。图1 北京石墨烯研究院单晶石墨烯晶圆（左）与多晶石墨烯（右）光镜图像对比欧盟石墨烯旗舰计划（Graphene Flagship）提供了一种新颖的单晶石墨烯生长技术，即通过光刻技术在衬底表面打上用于石墨烯单晶晶体生长的“晶种”，随即通过调控生长技术，控制石墨烯晶体在指定位置的晶种上生长，最后形成约100 μm级的单晶石墨烯晶体。这种方法可以自由控制晶体生长位置，便于在制备光电子器件前期妥善排布材料空间，同时降低了各类生长耗材的使用。然而，这种制备方式虽然技术可控，但工艺难度较高，生长效率低，不便进行产业化放大，难以满足市场中日渐增长的产业需求。图2 a-d为欧盟旗舰计划“晶种”技术单晶石墨烯生长及转移过程；e为单晶石墨烯阵列SEM图像；f为单晶石墨烯在铜箔上的光镜图像；g为转移至SiO2/Si后的光镜图像高品质单晶石墨烯是目前全球范围内对石墨烯材料性能和品质最极致的追求。市场数据表明，欧盟石墨烯旗舰计划目前最大单晶石墨烯尺寸在4厘米级，且仍旧处于科研研发状态，欧洲最大CVD石墨烯生产商Graphenea也仅能产业化制备晶畴为20 μm的多晶石墨烯材料，远低于集成电路产业的要求。我国虽然是石墨烯制备的产业大国，无论在企业数量还是石墨烯产能上，都傲居全球榜首，但主要集中在粉体材料或低品质多晶薄膜材料，而高品质石墨烯薄膜的批量制备技术依然是当前石墨烯产业发展的瓶颈。根据CGIA公开数据显示，截至20年底，中国拥有约1.7万家石墨烯相关注册企业，但据统计，真正开展业务的仅3000余家，而粉体制备及相关应用企业占据绝大多数。同时，由于缺少稳定的生长工艺和可靠的制造装备等原因，传统CVD制备方式批量生产的单层石墨烯薄膜材料多为多晶石墨烯，从事高端单晶化CVD石墨烯薄膜的企业更是寥寥无几。毫无疑问，单晶石墨烯生长工艺更加复杂，处理技术更加困难，但单晶石墨烯没有晶界，具有更高的平整度、机械性能、均一性及光电性能，是石墨烯应用于高性能电子及光电器件集成的理想材料。尤其是在异质集成、生物传感器、第三代半导体及其外延材料的生长上，对单晶化石墨烯材料有着更高品质的要求。北京石墨烯研究院（BGI）及刘忠范院士团队深耕石墨烯产业十数年，在单晶化大尺寸石墨烯薄膜生长上突破了产业化的技术壁垒，通过特殊的衬底处理工艺，可实现A3尺寸衬底上高品质石墨烯薄膜的宏量制备，年产能15000片/年，以及10x10 cm2铜基单晶石墨烯薄膜的制备，年产能90000片/年。无论在产品尺寸、晶粒畴区还是质量上，北京石墨烯研究院单晶化石墨烯产品都拥有无可比拟的优势。表1 北京石墨烯研究院单晶石墨烯产品参数尺寸通过短短五个月的市场化试运行，北京石墨烯研究院的单晶石墨烯产品已收获包含军方、中车集团、新加坡国立大学等国内外50余家一流高校科研院所与企业的订单，其中超半成和异质结构、半导体材料、光电器件相关。北京石墨烯研究院的单晶化石墨烯产品，逐渐在异质集成领域崭露头角。基于强大的市场需求及核心基础地位，伴随疫情带给社会生活的巨大改变，全球都在加码发展半导体产业。“未来的变化是产业‘赛道’可能会变，新材料和新架构的颠覆性技术将成为后摩尔时代集成电路产业的主要选择。”赛迪顾问股份有限公司副总裁李珂在2021世界半导体大会上如是表示。后摩尔时代，异质集成作为绕道摩尔定律创新的途径之一，结合石墨烯等新兴光电新材料，开辟石墨烯颠覆性应用技术，为我国早日实现“中国芯”具有重要意义。

北京卓立汉光仪器有限公司（以下简称卓立汉光）于8月24日-25日在南京举办第四届“逐梦光电”国产光电分析仪器研制与应用研讨会。来自南京工业大学的王琳教授在会议期间接受卓立汉光《视点前沿》栏目的采访，奇思妙想探索二维光电材料制备与应用王琳教授课题组研究方向是二维光电材料与器件，主要分为三个子方向，即材料、物理、信息。*一个材料方向是关于二维光电材料本身的设计和制备，主要面向有化学材料背景的同学们，同学们可以根据自己的奇思妙想，利用一些比较新奇的制备方法去制备具有优异光物理特性和光电器件性能的材料，这些材料主要是以二维钙钛矿为代表的二维卤化物。第二个是物理方向，需要通过二维卤化物或者二维半导体与其他材料通过范德华异质结进行组装，从而研究由界面、电荷或能量传递引起的发光物理上的特性。这个方向适合具有良好物理知识背景的同学去从事。第三个是信息方向，当课题组制备出性能优异的光电材料并深入了解了其光物理特性之后，需要针对光电器件的应用去开发原型器件，包括存储器、晶体管和光电探测器等。目前王琳老师课题组的学生及老师一共有40余人。二维材料与后摩尔时代（Post-Moore Era）英特尔创始戈登摩尔在60多年前提出摩尔定律，描述电子器件在近几十年来的发展趋势。指的是每18-24个月，电子器件的集成密度会翻倍。随着器件的特征尺寸逐渐逼近了材料和器件的物理极限，大家发现这个摩尔定律失效了，由于后摩尔时代就出现了。王琳老师介绍道：“后摩尔时代有两条常规的发展路径。一是 “More Moore”(延续摩尔)，更多的是采用更加激进的方法将器件的特征尺寸更加微缩化，使得集成密度提升到更高水平，主要是从尺寸集成角度来讲，希望材料能有底层的创新。第二是超越摩尔，也就是“More than Moore”。更多的是强调单一的器件功能的丰富化，比如把传感、存储、计算等功能集成在一个单一器件，使得器件功能更加丰富，从而提升集成的密度。这样单位面积上的器件的数量和功能得到很大提升，满足大家对集成器件更高的要求。搭建在显微镜上的圆偏振发光（CPL）王琳老师近年部分研究聚焦在低维材料的圆偏振发光中。课题组近期《NANO LETTERS》上发表了一篇文章（Stimulating and Manipulating Robust Circularly Polarized Photoluminescence in Achiral Hybrid Perovskites），文章通过二维的范德华力把二维非手性钙钛矿和二维手性钙钛矿连接起来，制备得到的材料在室温下的CPL强度有了数量级的提升。王琳老师分享了课题组在圆偏振显微镜的搭建的经验：“圆偏振发光显微系统的搭建需要用到四分之一玻片，我们可以在谱仪的激发或者发射端通过四分之一玻片的加入实现CPL特性的测量。CPL特性有三种测量方法：激发侧起偏、发射侧检偏和二者的结合。CPL也是表征二维材料如二硫化钼、二硒化钼等材料的一种重要方法。CPL*大应用方向是自旋光电子器件，我们以前主要考虑电荷传输及电荷量，但是经研究发现自旋作为载流子另外一个维度的调控，可以进一步丰富器件的功能，出现很多新奇的特性，而圆偏振光在这个方面是很好的表征手段。”与卓立汉光一起成长的科研历程作为卓立汉光的老朋友，王琳老师提到，她们课题组的发展和卓立汉光是密不可分的。她回忆道：“我在2017年认识了卓立汉光的董磊副总经理，当时我们有一个很好的想法，那就是能不能去集成适合研究二维材料微纳光电系统的全国产化设备，包括荧光、拉曼、光吸收、微纳LED测量，包括低温和磁场环境等。我当年刚回国，怀揣对祖国的热情，对国产仪器也有别样的情怀。董总问我，你敢不敢做*一个吃螃蟹的人，我当时也没有什么犹豫，就和董总达成了这样的协议。”通过六年的发展，王琳老师说，她觉得当初的选择是对的。她在当初选择了国产品牌并与它一起成长，虽然并不是每一台国产仪器都是完美的，但是她也见证国产仪器从不完美或是比较稚嫩的状态走向一个逐渐完美强大的发展过程。“这个过程和我自身的科研经历相似，我也是从一个懵懵懂懂的科研工作者，慢慢看清楚自己想做什么。有些虽然没有做到，但是已经确定了一个非常坚定的目标，我也非常感谢和卓立汉光一起成长的过程。‘’结束语在采访中，王琳老师深入浅出为我们科普了后摩尔时代，也让我们看到了二维光电材料与器件的发展潜力。*后当王琳老师娓娓道来她与卓立汉光一起成长的故事的时候，我们也十分感动并非常荣幸能够参与到这个与科研工作者一起成长的历程中。非常感谢王琳老师对卓立汉光的信任，也希望能与王老师一起见证二维光电器件在后摩尔时代中的巨大魅力。王琳教授简介王琳，南京工业大学教授、博士生导师、国家海外高层次青年人才引进计划入选者。长期从事低维异质集成材料与器件的研究工作。目前已发表学术论文90余篇，以（共同）通讯作者身份在Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、ACS Nano、Light Sci. Appl.、Nano Today等发表论文40余篇。曾荣获国际健康、科学与工程组织*佳研究员奖、国际先进材料学会奖章、欧洲材料学会青年科学家奖、江苏特聘教授、江苏省“六大人才高峰”高层次人才A类等荣誉。当选国际先进材料协会会员、欧洲先进材料大会科学顾问委员、柔性电子材料与器件工信部重点实验室学术委员会委员、InfoMat、中国激光杂志社、Frontier of Physics青年编委等。