科學家實現石墨烯納米結構原子級精準的可控折疊
科學（xué）家實現石墨烯納米結構原子級精準的可控折疊
探索新型低維碳納米材料及其新奇物性（xìng）一直是當今科技領域的前沿科學問題之一。二維的石墨烯晶格結構（gòu）被認為是其他眾多的碳（tàn）納米結構的母（mǔ）體（tǐ）材料。例如，將石墨烯結構沿著某一方向卷曲可以形成一維的碳納米管，將具有五元環和七元環石墨烯結構彎曲（qǔ）成球型結（jié）構即可形（xíng）成富勒烯。石墨烯在未來納米學器件的應用，需要構築具有三維形貌與精（jīng）確複雜的新型功能化石墨（mò）烯納米結構。目前在單原子層次上精準構築和調控基於石墨烯的低（dī）維碳納米結構仍存在巨大挑（tiāo）戰。
“折紙（zhǐ）術”是一（yī）種把紙張折出各種（zhǒng）特定形狀和花樣的藝術。藝術家們通過精妙的手法，把簡單與（yǔ）單調的二維紙張（zhāng）變成豐富多（duō）彩的三維結構。受這種藝術的啟發，折疊操（cāo）縱經常（cháng）被（bèi）巧妙地用在很（hěn）多科學（xué）技術前沿（yán）領（lǐng）域（yù），用來構築形狀與功能（néng）各異的結構、器件甚（shèn）至機器，例如生物學領域可以將DNA單鏈折疊成複雜（zá）的二維形狀。在（zài）宏觀尺（chǐ）度下，受折紙（zhǐ）術的啟發，科學家已經能夠構建出石墨烯功能器件甚至機（jī）器模型。理論預測發現，在原子尺度（dù），通過對石墨（mò）烯的彎曲折疊，可以構築出具有（yǒu）新奇電子學（xué）特性的納米結構。然而，石墨烯彎曲結構（gòu）的電子學性（xìng）質容易受到局域的空位、增原子、邊（biān）界等缺（quē）陷結構的影響。在單原子尺度精確地折（shé）疊（dié）石墨烯，特別（bié）是根據特殊需要沿特定方向對石墨烯進行折疊，具有極大的挑戰性。
最近，中國科學院院士、中（zhōng）國科學院物理研究所研究員高鴻鈞團隊的陳輝等人首次實現了對石墨烯納米結構的原子級精準的可控折疊，構築出一種新型的準三維石墨烯納（nà）米結構。該結構由二維旋轉堆垛雙層石墨烯納（nà）米結構與一維的類碳納米管（guǎn）結構（gòu）組（zǔ）成。他們通過掃描探針操控技術實現了：（1）石墨烯納米結構的原子級精準折疊與解折疊；（2）同一（yī）個石墨烯結（jié）構沿任意方向的反（fǎn）複折疊；（3）堆疊角度精確可（kě）調的旋轉堆垛的雙層石墨烯納米結構；（4）準一維碳納米（mǐ）管納米結構的構築；（5）雙晶石墨烯（xī）納米結構的可控折疊及其異質結（jié）的構築。他們應用掃描隧道譜與第（dì）一性原理計（jì）算確定（dìng）折疊石墨（mò）烯的納米結構的（de）精確原子構（gòu）型與局域電子態結構，發現通過石墨（mò）烯“納米折紙術”得到的準一維納米管異質結具有不同的能帶排列（liè）方式。
該工作在國際上首（shǒu）次實現了原子級精準控製、按需（xū）定製的石墨烯折疊，這是目前世界上最小（xiǎo）尺寸的石墨烯折疊。基於這種原（yuán）子（zǐ）級精（jīng）準的“折紙術”，還可以折疊其它新型二維原子晶體（tǐ）材料和複雜的疊層結構，進而（ér）製備出功能納米結（jié）構及其（qí）量子器件，研究其（qí）新奇物理現象。例如，探索魔角旋轉堆（duī）垛雙層二（èr）維原子晶體材（cái）料的超導電性、拓撲特性（xìng）和（hé）磁性，以及研究一（yī）維異質結的輸運性質及其應用等。該研究工作（zuò）對構築量子材料和量子器（qì）件（機器）具有重要的科學與技術上的（de）意義。
陳輝、張現利和張餘洋為（wéi）論文共同第一作者（zhě），杜世萱與高鴻鈞為共同通訊作者。美國（guó）馬裏蘭大學教授歐（ōu）陽敏、範德堡大學S. T. Pantelides參與了討論（lùn）合作。該研究成果以Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures 為題，於9月6日發表在美國《科學》雜誌上(Science 365, 1036 (2019))。
圖1 原子級精確石墨烯（xī）折紙術構築三（sān）維石墨（mò）烯納米結構。
圖2 折疊方向精確控製以及角度連續可調的旋轉堆垛雙層石墨烯的構築。
圖3 手性結構與電子態精確可調的類一（yī）維碳納米邊界結構的（de）構築。
圖4 折疊（dié）雙（shuāng）晶石（shí）墨烯納米片精確（què）構築異質結結構。
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