我開發原子級精准石墨烯“折紙術”
文章来源:   作者:   发布日期:2019-09-11 15:18:53   查看次数:1266 次

        9月6日,《科学》杂志发表了中国科学院院士、中科院物理研究所研究员高鸿钧团队的一项成果。他们在国际上首次实现了原子级精准控制、可按需定制的石墨烯折叠,这也是目前世界上尺寸最小的石墨烯“折纸”。

  “折紙術”是一種把紙張折出各種特定形狀和花樣的藝術,可把一張簡單的紙變換出各種各樣的三維結構。受這項藝術的啓發,折疊操縱經常被巧妙地用在很多科學技術前沿領域,用來構築形狀與功能各異的結構、器件甚至機器。比如,在生物學領域,生物學家可以將DNA單鏈折疊成複雜的二維形狀。

  在石墨烯研究領域,科學家也同樣躍躍欲試。二維的石墨烯晶格結構被認爲是其他衆多碳納米結構的母體材料,人們發現石墨烯結構沿著某一方向卷曲,可以形成一維的碳納米管,而將具有五元環和七元環石墨烯結構彎曲成球型結構,即可形成富勒烯。在宏觀尺度下,科學家已能構建出石墨烯功能器件甚至機器模型。

  “理論預測發現,在原子尺度,通過對石墨烯的彎曲折疊,可以做出具有新奇電子學特性的納米結構。”論文第一作者、中科院物理所博士後陳輝說。但是,原子尺度上的事兒,可不那麽簡單。在單原子尺度精確地折疊石墨烯,特別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。

  陳輝介紹,實現石墨烯“折紙”要用到掃描探針操控技術,而要掌握這項技術,需要首先掌握掃描探針的原理,後期再經過長時間練習。除了技術本身,材料尺寸大小、力學性質、探針與材料的相互作用、材料與基底之間的相互作用等都會影響“折紙”的成功率。

  這一系列困難都被科研人員克服了,高鴻鈞團隊實現了石墨烯納米結構原子級精准的可控折疊,並構築出一種新型的准三維石墨烯納米結構。這一成果實現了石墨烯納米結構的原子級精准折疊與解折疊、同一個石墨烯結構沿任意方向的反複折疊、堆疊角度精確可調的旋轉堆垛的雙層石墨烯納米結構、准一維碳納米管納米結構的構築,以及雙晶石墨烯納米結構的可控折疊及其異質結的構築。

  科研人員還發現,通過石墨烯“納米折紙術”得到的准一維納米管異質結兩側的電子學性質不同。這意味著它可以用來構建信息器件的基本單元,如晶體管等。這項研究對構築量子材料和量子器件(機器)具有科學和技術上的雙重意義。人們有望利用這種“折紙術”折疊出其他新型二維原子晶體材料和複雜的疊層結構,進而制備出功能納米結構及其量子器件,並研究其新奇的物理現象。(中國化工報)

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