我科学家实现石墨烯原子级精准“折纸”

记者 齐芳

2019年09月07日09:48  来源:光明日报
 
原标题:我科学家实现石墨烯原子级精准“折纸”

扫描探针效果示意图。中科院物理所供图

石墨烯是一种被科学家寄予厚望的新型材料,探索新型低维碳纳米材料及其新奇物性是当今科技领域的前沿科学问题之一。日前,中国科学院物理研究所高鸿钧研究团队的陈辉等人首次实现了对石墨烯纳米结构的原子级精准的可控折叠,构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构。

这一工作在国际上首次实现了原子级精准控制、按需定制的石墨烯折叠,也是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠,成果6日发表在国际知名学术期刊《科学》上。

在折纸艺术家的手中,一张简单的白纸能变成活灵活现的动物。对科学家而言,这意味着材料实现了从二维到三维的空间转化。如今,这种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——只不过是在更微观的尺度下进行,例如DNA的折叠。

陈辉介绍,就石墨烯而言,理论预测发现,在原子尺度,通过对石墨烯的弯曲折叠,可以构筑出具有新奇电子学特性的纳米结构。然而,石墨烯弯曲结构的电子学性质容易受到局域的空位、增原子、边界等缺陷结构的影响。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。

研究团队利用扫描探针操控技术,构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构,该结构由二维旋转堆垛双层石墨烯纳米结构与一维的类碳纳米管结构组成。科研人员还发现,通过石墨烯“纳米折纸术”能够得到的准一维纳米管异质结具有不同的能带排列方式,这意味着它还可以用来构建其他新型的石墨烯器件。

有评论认为,基于这种原子级精准的“折纸术”,还可以折叠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,研究其新奇物理现象。例如,探索魔角旋转堆垛双层二维原子晶体材料的超导电性、拓扑特性和磁性,以及研究一维异质结的输运性质及其应用等。该研究工作对构筑新型量子材料和量子器件(机器)具有重要的科学与技术上的意义。

(责编:谷妍、邓楠)

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