开发新型高密度、高生物兼容性柔性神经电极，实现对大脑神经电信号长期、稳定读取。结合光遗传技术，发展高时空分辨率的活体神经电生理刺激和记录技术，实现脑活动机制分析和脑相关疾病治疗。

2. 基于纳米材料的新型神经电极技术

结合纳米材料优异的电学、力学和热学性能，构建新型的纳米神经界面，提高纳米材料神经电极与三维生物组织的信号转导效率，发展新型的神经电极技术，推动纳米技术在脑科学中的实际应用。

3. 碳纳米材料能源存储及转换器件

 基于石墨烯材料的太阳能电池，开发低成本、柔性、高效率的太阳能电池结构。探索石墨烯等多孔碳材料在电能存储方面的性能，开发具有高储能容量和效率的储能器件。

4. 碳纳米多孔吸附材料

设计合成低成本多孔碳材料，可控合成其与金属、半导体等纳米材料的复合结构，开发其在环境过滤、吸附等方面的应用研究。

5. 低维纳米材料电学性能的理论模拟和分析

利用第一性原理研究低维纳米材料（石墨烯，碳纳米管，拓扑绝缘体等）的电学性能，研究其电学性能与结构之间的关联。

代表工作介绍 

一、纳米场效应器件及电生理检测 

1. 石墨烯场效应纳米器件对单个细胞的电生理信号检测 

纳米－生物界面在细胞、组织等的电生理信号检测过程中具有重要作用。以石墨烯纳米晶体管与单个生物细胞、生物组织等构筑纳米-生物界面、利用细胞、组织等引起的纳米晶体管周围电势的变化检测其电生理信号，实现纳米传感器的生物检测。首次建立了SiO₂基底上的石墨烯纳米晶体管与单个动物心肌细胞的人造突触界面，实现了石墨烯对单个细胞电生理信号的非侵入性检测与调控。与传统硅纳米线晶体管不同，通过简单调节溶液栅电压，就可实现石墨烯晶体管在n-区和p-区对电生理信号检测 (Nano Letters, 2010, 10, 1098)。  

（a）一维硅纳米线、二维石墨烯集成纳米细胞传感器件示意图；(b)纳米线及石墨烯纳米传感器件对单个细胞电生理信号的实时检测  

2. 石墨烯-生物组织界面构筑及电生理检测 

构建了石墨烯-生物组织人造突触界面，实现了对小鼠心脏电生理信号的实时非侵略性检测。通过去除基底制备悬浮石墨烯纳米器件，保证了石墨烯-生物组织的更充分接触，将纳米器件的信噪比提高了5倍。进一步，通过噪音检测并结合理论模拟，首次发现纳米器件低频1/f噪音与水分子偶极诱导产生的散射直接相关，为石墨烯纳米器件在电生理介质中的检测灵敏度极限预测奠定了基础( Nano Letters, 2013, 13, 2902-2907)。

石墨烯器件的非侵入检测及水分子偶极对石墨烯器件的影响。(a) 石墨烯-生物组织的三维共形接触界面；(b)基底上器件（黑）及悬浮器件(红)对心脏电流检测信号对照； 

(c)能量随单个水分子与石墨烯之间距离变化曲线 

3. 一步化学合成法制备柔性全碳电极阵列及其电生理信号检测 

利用铜基底上图形化的碳纳米管薄膜，首次通过化学气相沉积的方法直接大面积、规整有序地生长了单片、高性能的全碳纳米晶体管阵列。全碳纳米晶体管器件的核心半导体沟道是石墨烯，而电极及互连是基于一种新型的单壁碳纳米管/石墨烯杂化电极。在化学气相沉积过程中，由于石墨烯与杂化电极同步形成，使得石墨烯与杂化电极之间形成稳定的化学连接。进一步通过转移的方法，成功制备了PET基底上的柔性全碳纳米电子器件阵列。实验发现，由于石墨烯与单壁碳纳米管具有完美匹配的力学性能，即使在弯曲曲率半径达到1 mm时，柔性全碳纳米电子器件阵列依然表现出稳定的电学性能。优越的力学稳定性使得全碳纳米电子器件阵列能够与三维生物组织形成稳定的信号转导界面，从而实现了对动物在体电生理信号的实时、高灵敏的多通道测量(Advanced Materials, 2015, 27, 682-688)