科學(xué)家實現(xiàn)石墨烯納米結(jié)構(gòu)原子級精準(zhǔn)的可控折疊

科學(xué)家實現(xiàn)石墨烯納米結(jié)構(gòu)原子級精準(zhǔn)的可控折疊

　探索新型低維碳納米材料及其新奇物性一直是當(dāng)今科技領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題之一。二維的石墨烯晶格結(jié)構(gòu)被認為是其他眾多的碳納米結(jié)構(gòu)的母體材料。例如，將石墨烯結(jié)構(gòu)沿著某一方向卷曲可以形成一維的碳納米管，將具有五元環(huán)和七元環(huán)石墨烯結(jié)構(gòu)彎曲成球型結(jié)構(gòu)即可形成富勒烯。石墨烯在未來納米學(xué)器件的應(yīng)用，需要構(gòu)筑具有三維形貌與精確復(fù)雜的新型功能化石墨烯納米結(jié)構(gòu)。目前在單原子層次上精準(zhǔn)構(gòu)筑和調(diào)控基于石墨烯的低維碳納米結(jié)構(gòu)仍存在巨大挑戰(zhàn)。

“折紙術(shù)”是一種把紙張折出各種特定形狀和花樣的藝術(shù)。藝術(shù)家們通過精妙的手法，把簡單與單調(diào)的二維紙張變成豐富多彩的三維結(jié)構(gòu)。受這種藝術(shù)的啟發(fā)，折疊操縱經(jīng)常被巧妙地用在很多科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域，用來構(gòu)筑形狀與功能各異的結(jié)構(gòu)、器件甚至機器，例如生物學(xué)領(lǐng)域可以將DNA單鏈折疊成復(fù)雜的二維形狀。在宏觀尺度下，受折紙術(shù)的啟發(fā)，科學(xué)家已經(jīng)能夠構(gòu)建出石墨烯功能器件甚至機器模型。理論預(yù)測發(fā)現(xiàn)，在原子尺度，通過對石墨烯的彎曲折疊，可以構(gòu)筑出具有新奇電子學(xué)特性的納米結(jié)構(gòu)。然而，石墨烯彎曲結(jié)構(gòu)的電子學(xué)性質(zhì)容易受到局域的空位、增原子、邊界等缺陷結(jié)構(gòu)的影響。在單原子尺度精確地折疊石墨烯，特別是根據(jù)特殊需要沿特定方向?qū)κ┻M行折疊，具有極大的挑戰(zhàn)性。

最近，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員高鴻鈞團隊的陳輝等人首次實現(xiàn)了對石墨烯納米結(jié)構(gòu)的原子級精準(zhǔn)的可控折疊，構(gòu)筑出一種新型的準(zhǔn)三維石墨烯納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由二維旋轉(zhuǎn)堆垛雙層石墨烯納米結(jié)構(gòu)與一維的類碳納米管結(jié)構(gòu)組成。他們通過掃描探針操控技術(shù)實現(xiàn)了：（1）石墨烯納米結(jié)構(gòu)的原子級精準(zhǔn)折疊與解折疊；（2）同一個石墨烯結(jié)構(gòu)沿任意方向的反復(fù)折疊；（3）堆疊角度精確可調(diào)的旋轉(zhuǎn)堆垛的雙層石墨烯納米結(jié)構(gòu)；（4）準(zhǔn)一維碳納米管納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑；（5）雙晶石墨烯納米結(jié)構(gòu)的可控折疊及其異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑。他們應(yīng)用掃描隧道譜與第一性原理計算確定折疊石墨烯的納米結(jié)構(gòu)的精確原子構(gòu)型與局域電子態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)通過石墨烯“納米折紙術(shù)”得到的準(zhǔn)一維納米管異質(zhì)結(jié)具有不同的能帶排列方式。

該工作在國際上首次實現(xiàn)了原子級精準(zhǔn)控制、按需定制的石墨烯折疊，這是目前世界上最小尺寸的石墨烯折疊。基于這種原子級精準(zhǔn)的“折紙術(shù)”，還可以折疊其它新型二維原子晶體材料和復(fù)雜的疊層結(jié)構(gòu)，進而制備出功能納米結(jié)構(gòu)及其量子器件，研究其新奇物理現(xiàn)象。例如，探索魔角旋轉(zhuǎn)堆垛雙層二維原子晶體材料的超導(dǎo)電性、拓撲特性和磁性，以及研究一維異質(zhì)結(jié)的輸運性質(zhì)及其應(yīng)用等。該研究工作對構(gòu)筑量子材料和量子器件（機器）具有重要的科學(xué)與技術(shù)上的意義。

陳輝、張現(xiàn)利和張余洋為論文共同第一作者，杜世萱與高鴻鈞為共同通訊作者。美國馬里蘭大學(xué)教授歐陽敏、范德堡大學(xué)S. T. Pantelides參與了討論合作。該研究成果以Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures 為題，于9月6日發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上(Science 365, 1036 (2019))。



圖1 原子級精確石墨烯折紙術(shù)構(gòu)筑三維石墨烯納米結(jié)構(gòu)。



圖2 折疊方向精確控制以及角度連續(xù)可調(diào)的旋轉(zhuǎn)堆垛雙層石墨烯的構(gòu)筑。



圖3 手性結(jié)構(gòu)與電子態(tài)精確可調(diào)的類一維碳納米邊界結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。



圖4 折疊雙晶石墨烯納米片精確構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

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