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我国科学家首次实现原子级石墨烯可控折叠
2019-09-20

 

中国科学院物理研究所高鸿钧院士研究团队首次实现了对石墨烯纳米结构的原子级可控折叠,相关论文9月6日发表在《科学》杂志上。这样的研究成果不仅显示了研究团队对于纳米结构制作的高超技术,也再次将石墨烯这一纳米器件制作平台推到了科学研究的最前沿,对于可控制造特殊性质的纳米器件如量子器件,有重要研究意义。

精妙的“折纸”术

“折纸术”是一种把纸张折出各种特定形状和花样的艺术。艺术家们通过精妙的手法,把简单与单调的二维纸张变成丰富多彩的三维结构。实际上,这类将物质折叠操纵的手法也经常被用在一些科学研究的前沿领域。石墨烯作为一种纳米级的新型二维材料多年来一直是物理学研究的热门话题。2010年,两名科学家因在石墨烯材料方面的卓越研究获得了诺贝尔物理学奖。

中国科学院物理研究所介绍,想要“折叠”石墨烯并不简单,因为把石墨烯弯曲起来后,其结构的电子学性质容易受到多方面因素的影响,特别是根据特殊需要沿特定方向对石墨烯进行“折叠”,具有极大的挑战性。

台上几秒钟 台下十年功

为了“折叠”这样薄的“纸”,科研人员需要操作一种特殊的显微镜——扫描隧道显微镜,这种基于“量子隧穿效应”的仪器也是当今世上最精密的测试仪器之一,能够通过仪器中原子尺寸级别的探针与样品之间的相互作用来实现“原子操纵”(Atomic Manipulation),即对单原子进行移动,并以此制作纳米结构。

为了能够“折叠”石墨烯,科研人员花了一年多的时间做准备,比如寻找适合“折叠”石墨烯的环境。相关论文共同作者杜世萱说:“比如一张纸,放在沾满胶水的桌子上,就很难给它‘折叠’起来。石墨烯的‘折叠’也是一样,环境中的电、磁等都可能是黏住石墨烯的‘胶水’。所以找到一个不会影响‘折叠’的环境是非常重要的。”

相比“台下十年功”,操作“折叠”石墨烯花费的时间就短多了,“这个操作是以分钟为单位计算的。”杜世萱解释说:“一般折纸,我们会用两根手指夹住纸的一端,把纸给折叠起来。但有的时候,由于手上有静电或者比较湿,我们一根手指就能把纸的一端提起来。‘折叠’石墨烯就有些像后一种情况,用一个带微弱电流的针,去吸引本身也有电的石墨烯,用针去引导石墨烯移动到指定的位置。”

此次研究不仅实现了简单的“折叠”,还可以在“折叠”后将石墨烯成功“展开”,并能让同一个石墨烯结构沿任意方向反复“折叠”。

高鸿钧表示:“单纯的折叠和复原其实比较快,就是在秒的量级。但是为了实现原子级精度的可控折叠,需要首先在高定向裂解石墨上获得合适尺寸的石墨烯纳米片,我们目前使用的是氢离子轰击技术,一般需要10个循环的氢离子轰击,这个过程需要10小时左右。一旦有了我们设计尺寸的石墨烯纳米片,折叠和复原就可以很快,并且成功率也很高,可重复性也非常好。”

此次研究还创造出了堆叠角度精确可调的特定双层石墨烯纳米结构。

研究团队在折叠处发现了具有特殊性质的结构——“褶子”,研究团队将其称为“1D tubular”,清晰地记录了这个结构的高度尺寸。他们发现这个结构和碳纳米管结构很类似,都是石墨烯卷起来的样子,那么它的性质会是怎样的呢?电学测试表明,与碳纳米管类似,这样的结构具有一维材料的特性,电子在这种结构上只能做一维的运动,即向前或者向后。但是,该结构与传统碳纳米管相比也略有不同,对此高鸿钧解释道:“利用石墨烯折叠出来的1D tubular结构与传统的CNT相比,有着自身的特点。从原子结构角度来讲,折叠出来的1D tubular是一个非闭合结构,这种非闭合结构也会对其电子结构造成影响,我们的理论计算表明,1Dtubular除了具有传统CNT的1D van Hove奇点特征以外,还具备一些有限尺寸石墨烯片的电子结构特点。”也就是说,1D tubular是利用石墨烯卷起来的非闭合结构,它既有碳纳米管的一些特性,也具有石墨烯的特性。

于是高鸿钧团队开始考虑如何利用这种结构制作器件,根据石墨烯具有的“双晶”特性,他们首先尝试了“异质结”器件(一个器件由两种不同性质材料组成)的制作。所谓“双晶”特性,就是一层石墨烯上可能会出现两种排列方向不同的蜂窝结构,即使都是六边形。换一种说法,也可以认为是在一层双晶石墨烯上能存在两种不同属性的石墨烯,也就是两种不同的材料。如果能够以一种可控的方式将这层双晶石墨烯以一定的角度折叠起来,那么在折叠的地方就能出现两种材料的界面,也就能形成异质结的结构。

对于材料的应用,高鸿钧充满自信地表示:“如果利用双晶石墨烯片进行可控折叠,可以得到传统CNT研究中科学家一直想要获得的结构可控的一维纳米线异质结,这样的一维纳米线异质结两端的电子结构可以相差很大,通过精心设计,可以做成传统半导体器件中的pn结,进而构建更加丰富的信息功能器件。” 来源:中国航空新闻网

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