我开发原子级精准石墨烯“折纸术”

  可按需定制三维石墨烯纳米结构

  中化新网讯 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”。

  “折纸术”是一种把纸张折出各种特定形状和花样的艺术,可把一张简单的纸变换出各种各样的三维结构。受这项艺术的启发,折叠操纵经常被巧妙地用在很多科学技术前沿领域,用来构筑形状与功能各异的结构、器件甚至机器。比如,在生物学领域,生物学家可以将DNA单链折叠成复杂的二维形状。

  在石墨烯研究领域,科学家也同样跃跃欲试。二维的石墨烯晶格结构被认为是其他众多碳纳米结构的母体材料,人们发现石墨烯结构沿着某一方向卷曲,可以形成一维的碳纳米管,而将具有五元环和七元环石墨烯结构弯曲成球型结构,即可形成富勒烯。在宏观尺度下,科学家已能构建出石墨烯功能器件甚至机器模型。

  “理论预测发现,在原子尺度,通过对石墨烯的弯曲折叠,可以做出具有新奇电子学特性的纳米结构。”论文第一作者、中科院物理所博士后陈辉说。但是,原子尺度上的事儿,可不那么简单。在单原子尺度精确地折叠石墨烯,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。

  陈辉介绍,实现石墨烯“折纸”要用到扫描探针操控技术,而要掌握这项技术,需要首先掌握扫描探针的原理,后期再经过长时间练习。除了技术本身,材料尺寸大小、力学性质、探针与材料的相互作用、材料与基底之间的相互作用等都会影响“折纸”的成功率。

  这一系列困难都被科研人员克服了,高鸿钧团队实现了石墨烯纳米结构原子级精准的可控折叠,并构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构。这一成果实现了石墨烯纳米结构的原子级精准折叠与解折叠、同一个石墨烯结构沿任意方向的反复折叠、堆叠角度精确可调的旋转堆垛的双层石墨烯纳米结构、准一维碳纳米管纳米结构的构筑,以及双晶石墨烯纳米结构的可控折叠及其异质结的构筑。

  科研人员还发现,通过石墨烯“纳米折纸术”得到的准一维纳米管异质结两侧的电子学性质不同。这意味着它可以用来构建信息器件的基本单元,如晶体管等。这项研究对构筑量子材料和量子器件(机器)具有科学和技术上的双重意义。人们有望利用这种“折纸术”折叠出其他新型二维原子晶体材料和复杂的叠层结构,进而制备出功能纳米结构及其量子器件,并研究其新奇的物理现象。


关键字:石墨烯
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