刘开辉

针对传统晶体制备中存在的“尺寸”、“缺陷”难题，团队提出创新性思路：与其在微观层面修补缺陷，不如重构材料生长逻辑。在王恩哥院士、俞大鹏院士的指导下，团队首先从材料制备的基础环节切入。2016年，团队实现了轻元素单晶材料生长速度的突破性调控，创造了石墨烯最快生长速度纪录。2020年，团队更进一步，通过生长衬底调控技术，制造出30余种A4尺寸高指数单晶铜箔，填补了工业级单晶铜箔空白。

研究团队提出了一种二维异质结纳米腔可饱和吸收体，通过在光纤端面集成MoS2-BN-graphene-BN-MoS2异质结，精准调控异质结内部的光场分布，显著提升石墨烯的可饱和吸收性能（饱和强度降低约65%）。该异质结能够有效抑制孤子形成前的背景脉冲，从而阻止脉冲分裂以实现稳健锁模输出。同时，该异质结对光纤激光器腔内的偏振变化表现出更高的容忍度，在约85%的偏振态下都能稳定产生单孤子脉冲。这种异质结纳米腔为低维材料在可饱和吸收体中的实际应用奠定了基础，并有望用于光频梳、超连续谱源以及片上脉冲激光器等领域。

研究团队以镍晶格为原子级传质媒介，将待提纯的碳原料放置于单晶镍基底一侧，通过精准解析不同元素在镍中的吸附、扩散及析出能垒，构建了具有元素选择性的原子筛提纯机制。该提纯方法如同为碳原子打造了一条“高速专用通道”，仅允许碳原子在镍晶格中定向传质，并在界面处有序外延生长，从而实现了超高纯度单晶石墨晶体的制备。

研究团队创新提出了光纤集成石墨烯超快电子源，通过将石墨烯集成在光纤端面，利用石墨烯 “冷晶格、热电子”稳定电子发射特性和光纤单模激光稳定激发结构，研发出了高稳定超快电子源。

北京大学博雅特聘教授、凝聚态物理与材料物理研究所所长、松山湖材料实验室轻元素先进材料与器件团队（以下简称“轻元素材料团队”）负责人刘开辉教授和中科晶益材料科技有限责任公司（以下简称“中科晶益”）董事长、松山湖材料实验室产业化委员会秘书长、研究员付莹应邀参加本次大会，并分别就单晶铜“原子制造”技术及高端铜材制备与应用作专题报告分享。

目前，刘开辉领衔的轻元素材料团队已入驻广东省级实验室——松山湖材料实验室，聚焦国家战略需求，研发高品质单晶铜箔、单晶石墨烯、单晶六方氮化硼薄膜的批量制备技术，建设高品质轻元素单晶材料的生产示范线。

松山湖材料实验室轻元素材料团队/北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室刘开辉教授荣获中国物理学会胡刚复物理奖（实验技术），以表彰其与合作者在米级二维单晶原子制造技术及装备开发与应用方面取得的重要成果。同时获奖的还有来自中国科学院物理研究所的郇庆研究员。

在高端铜材制备技术与装备研发方面，轻元素团队已取得多项突破：世界首次建立了高质量米级单晶铜箔库规模化可控制备技术和装备；原创电镀单晶高纯铜增厚技术，成功利用电镀技术实现单晶铜板的低成本规模化制备；突破我国有色金属熔体净化“卡脖子”技术难题，研发出单晶高纯铜杆高效率多通道真空定向凝固连铸技术和设备。

该研究表明，即使在二维绝缘体和半金属材料之间的转角异质界面（如h-BN和石墨烯）中，也可能由于层间的摩尔势的作用，使跃迁能量随转角变化而改变，甚至诱发新的层间跃迁。因此，在类似包含二维异质界面的器件中，这些界面耦合效应应该被仔细考虑，以防止产生意外的跃迁途径或导致材料本身跃迁能量的移动，从而影响到器件性能和测量结果。此外，h-BN/石墨烯异质结构的转角关联使其层内和层间的跃迁能量连续可调，为制造具有指定波长的新型二维光电器件创造了可能的条件。

刘开辉首先从凝聚态物理与低维材料的概念引入，依次介绍了理想二维材料的定义、二维材料稳定存在的可能性以及石墨烯研究热潮的兴起及应用价值。随后，刘开辉详细讲述了单层石墨烯及厚层石墨烯的制备策略：对于单层石墨烯，研究证明多核协同生长的路径最为有效，并成功实现了米级单晶单层石墨烯的制备；对于厚层石墨烯，面对二维材料难以长厚的困境，刘开辉及其团队迎难而上，通过类比“牛吃草挤奶”，最终设计出“单晶镍吃碳渣，长黑金”的方式，成功实现了十万层厚石墨的生长。从大尺寸、高质量单层单晶石墨烯的制备，再到十万层单晶石墨的突破，刘开辉和他的团队一直坚持不懈、不忘初心、信念坚定，最终取得了国际领先的科研成果。