A facile strategy to grow nitrogen-doped graphene using embedded nitrogen and carbon in metal substrate via a segregation method is reported. As doping is concurrently carried out in the segregation process of the carbon species, N atoms can be substitutionally doped into the graphene lattice. This approach allows precise control of the doping degree and location, which enables growing various heterojunctions at the desired location.

Research on two-dimensional (2D) materials has been explosively increasing in last seventeen years in varying subjects including condensed matter physics, electronic engineering, materials science, and chemistry since the mechanical exfoliation of graphene in 2004.Starting from graphene, 2D materials now have become a big family with numerous members and diverse categories.The unique structural features and physicochemical properties of 2D materials make them one class of the most appealing candidates for a wide range of potential applications.In particular, we have seen some major breakthroughs made in the field of 2D materials in last five years not only in developing novel synthetic methods and exploring new structures/properties but also in identifying innovative applications and pushing forward commercialisation.In this review, we provide a critical summary on the recent progress made in the field of 2D materials with a particular focus on last five years.After a brief background 物理化学学报 Acta Phys.-Chim.Sin.2021, 37 (12), 2108017 (3 of 151) introduction, we first discuss the major synthetic methods for 2D materials, including the mechanical exfoliation, liquid exfoliation, vapor phase deposition, and wet-chemical synthesis as well as phase engineering of 2D materials belonging to the field of phase engineering of nanomaterials (PEN).We then introduce the superconducting/optical/magnetic properties and chirality of 2D materials along with newly emerging magic angle 2D superlattices.Following that, the promising applications of 2D materials in electronics, optoelectronics, catalysis, energy storage, solar cells, biomedicine, sensors, environments, etc. are described sequentially.Thereafter, we present the theoretic calculations and simulations of 2D materials.Finally, after concluding the current progress, we provide some personal discussions on the existing challenges and future outlooks in this rapidly developing field.

High‐performance flexible energy‐storage devices have great potential as power sources for wearable electronics. One major limitation to the realization of these applications is the lack of flexible electrodes with excellent mechanical and electrochemical properties. Currently employed batteries and supercapacitors are mainly based on electrodes that are not flexible enough for these purposes. Here, a three‐dimensionally interconnected hybrid hydrogel system based on carbon nanotube (CNT)‐conductive polymer network architecture is reported for high‐performance flexible lithium ion battery electrodes. Unlike previously reported conducting polymers (e.g., polyaniline, polypyrrole, polythiophene), which are mechanically fragile and incompatible with aqueous solution processing, this interpenetrating network of the CNT‐conducting polymer hydrogel exibits good mechanical properties, high conductivity, and facile ion transport, leading to facile electrode kinetics and high strain tolerance during electrode volume change. A high‐rate capability for TiO 2 and high cycling stability for SiNP electrodes are reported. Typically, the flexible TiO 2 electrodes achieved a capacity of 76 mAh g –1 in 40 s of charge/discharge and a high areal capacity of 2.2 mAh cm –2 can be obtained for flexible SiNP‐based electrodes at 0.1C rate. This simple yet efficient solution process is promising for the fabrication of a variety of high performance flexible electrodes.

Significance Many applications, including solar cells and touch screens, require coatings that are both optically transparent and electrically conductive. Most device structures use indium tin oxide to serve as this transparent conductor (TC), even though it accounts for a disproportionally large amount of device cost. Alternatives, such as polymer-based materials, may not only provide additional cost benefits, but may also allow for added functionality, such as flexibility. In this paper, we examine conductive poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) deposited by solution shearing as a TC film. Morphological and chemical changes caused by solution shearing deposition lead to record-high conductivities and overall excellent TC performance.

Mechanically durable stretchable trans-istors are fabricated using carbon nanotube electrical components and tough thermoplastic elastomers. After an initial conditioning step, the electrical characteristics remain constant with strain. The strain-dependent characteristics are similar in orthogonal stretching directions. Devices can be impacted with a hammer and punctured with a needle while remaining functional and stretchable.

Two-dimensional materials, such as graphene, are attractive for both conventional semiconductor applications and nascent applications in flexible electronics. However, the high tensile strength of graphene results in fracturing at low strain, making it challenging to take advantage of its extraordinary electronic properties in stretchable electronics. To enable excellent strain-dependent performance of transparent graphene conductors, we created graphene nanoscrolls in between stacked graphene layers, referred to as multilayer graphene/graphene scrolls (MGGs). Under strain, some scrolls bridged the fragmented domains of graphene to maintain a percolating network that enabled excellent conductivity at high strains. Trilayer MGGs supported on elastomers retained 65% of their original conductance at 100% strain, which is perpendicular to the direction of current flow, whereas trilayer films of graphene without nanoscrolls retained only 25% of their starting conductance. A stretchable all-carbon transistor fabricated using MGGs as electrodes exhibited a transmittance of >90% and retained 60% of its original current output at 120% strain (parallel to the direction of charge transport). These highly stretchable and transparent all-carbon transistors could enable sophisticated stretchable optoelectronics.

Graphene has been attracting wide interests owing to its excellent electronic, thermal, and mechanical performances. Despite the availability of several production techniques, it is still a great challenge to achieve wafer-size graphene with acceptable uniformity and low cost, which would determine the future of graphene electronics. Here we report a universal segregation growth technique for batch production of high-quality wafer-scale graphene from non-noble metal films. Without any extraneous carbon sources, 4 in. graphene wafers have been obtained from Ni, Co, Cu−Ni alloy, and so forth via thermal annealing with over 82% being 1−3 layers and excellent reproducibility. We demonstrate the first example of monolayer and bilayer graphene wafers using Cu−Ni alloy by combining the distinct segregation behaviors of Cu and Ni. Together with the easy detachment from growth substrates, we believe this facile segregation technique will offer a great driving force for graphene research.

A self-healing thermo-reversible elastomer is synthesized by cross-linking a hydrogen bonding polymer network with chemically-modified graphene oxide. This nanocomposite allows for both rapid and efficient self-healing (in only several minutes) at room temperature, without the need for any external stimuli (e.g., heating or light exposure), healing agents, plasticizers or solvents. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.