首次實現(xiàn)原子級精準控制的石墨烯折疊

首次實現(xiàn)原子級精準控制的石墨烯折疊

我國科學(xué)家借鑒民間的“折紙術(shù)”實現(xiàn)了對石墨烯納米結(jié)構(gòu)的操控。近日，中科院物理所高鴻鈞研究團隊的陳輝博士等人在世界上首次實現(xiàn)了原子級精準控制的石墨烯折疊。這是目前世界上最小尺寸的石墨烯折疊。相關(guān)成果日前發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

在民間有一種“折紙術(shù)”。人們通過精妙的手法，把簡單的二維紙張變成豐富多彩的三維結(jié)構(gòu)。受這種藝術(shù)的啟發(fā)，折疊操縱經(jīng)常被巧妙地用在很多科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域，用來構(gòu)筑形狀與功能各異的結(jié)構(gòu)、器件甚至機器，例如生物學(xué)領(lǐng)域可以將DNA單鏈折疊成復(fù)雜的二維形狀的方法等。在宏觀尺度下，受折紙術(shù)的啟發(fā)，科學(xué)家已經(jīng)能夠構(gòu)建出石墨烯功能器件甚至機器模型。理論預(yù)測發(fā)現(xiàn)，在原子尺度，通過對石墨烯的彎曲折疊，可以構(gòu)筑出具有新奇電子學(xué)特性的納米結(jié)構(gòu)。



陳輝博士等人實現(xiàn)了對石墨烯納米結(jié)構(gòu)的原子級精準的可控折疊，構(gòu)筑出一種新型的準三維石墨烯納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由二維旋轉(zhuǎn)堆垛雙層石墨烯納米結(jié)構(gòu)與一維的類碳納米管結(jié)構(gòu)組成。這項工作在國際上首次實現(xiàn)了世界上最小尺寸的、原子級精準控制的、可以按需定制的石墨烯折疊。



陳輝說，基于這種原子級精準的“折紙術(shù)”，還可以折疊其他新型二維原子晶體材料和復(fù)雜的疊層結(jié)構(gòu)，進而制備出功能納米結(jié)構(gòu)及其量子器件，研究其新奇物理現(xiàn)象。這項研究對構(gòu)筑量子材料和量子器件（機器）具有重要的科學(xué)與技術(shù)上的意義。



探索新型低維碳納米材料及其新奇物性一直是當(dāng)今科技領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題之一，相關(guān)研究曾于1996年和2010年兩次獲得諾貝爾獎。



經(jīng)過多年研究攻關(guān)，中國科學(xué)院院士、中科院物理研究所研究員高鴻鈞團隊在世界上首次實現(xiàn)了原子級精準控制的石墨烯折疊，這是目前世界上最小尺寸的石墨烯折疊，對構(gòu)筑量子材料和量子器件等具有重要意義。9月6日，這一成果在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上發(fā)表。探索新型低維碳納米材料及其新奇物性是世界前沿的科學(xué)問題之一，相關(guān)研究曾兩次獲得諾貝爾獎。二維的石墨烯晶格結(jié)構(gòu)被認為是其他眾多的碳納米結(jié)構(gòu)的母體材料。不過，目前在單原子層次上精準構(gòu)筑和調(diào)控基于石墨烯的低維碳納米結(jié)構(gòu)仍存在巨大挑戰(zhàn)。

“折紙術(shù)”是一種把紙張折出各種特定形狀和花樣的藝術(shù)。藝術(shù)家們通過精妙的手法，把簡單與單調(diào)的二維紙張變成豐富多彩的三維結(jié)構(gòu)。受這種藝術(shù)的啟發(fā)，折疊操縱經(jīng)常被巧妙地用在很多科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域，用來構(gòu)筑形狀與功能各異的結(jié)構(gòu)、器件甚至機器，例如生物學(xué)領(lǐng)域可以將DNA單鏈折疊成復(fù)雜的二維形狀的方法等。



在宏觀尺度下，科學(xué)家已經(jīng)能夠構(gòu)建出石墨烯功能器件甚至機器模型。理論預(yù)測發(fā)現(xiàn)，在原子尺度，通過對石墨烯的彎曲折疊，可以構(gòu)筑出具有新奇電子學(xué)特性的納米結(jié)構(gòu)。然而，石墨烯彎曲結(jié)構(gòu)的電子學(xué)性質(zhì)容易受到局域的空位、增原子、邊界等缺陷結(jié)構(gòu)的影響。在單原子尺度精確地折疊石墨烯，特別是根據(jù)特殊需要沿特定方向?qū)κ┻M行折疊，具有極大的挑戰(zhàn)性。



最近，中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞研究團隊的陳輝博士等人首次實現(xiàn)了對石墨烯納米結(jié)構(gòu)的原子級精準的可控折疊，構(gòu)筑出一種新型的準三維石墨烯納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由二維旋轉(zhuǎn)堆垛雙層石墨烯納米結(jié)構(gòu)與一維的類碳納米管結(jié)構(gòu)組成。



這也是目前世界上最小尺寸的石墨烯折疊。基于這種原子級精準的“折紙術(shù)”，還可以折疊其它新型二維原子晶體材料和復(fù)雜的疊層結(jié)構(gòu)，進而制備出功能納米結(jié)構(gòu)及其量子器件，研究其新奇物理現(xiàn)象。



高鴻鈞說，石墨烯折疊之后，這些新型的二維原子晶體材料有可能由沒有超導(dǎo)特性變成具有超導(dǎo)特性，沒有磁性可以變成有磁性。利用這樣一些特性的變化去構(gòu)造功能的量子器件，對未來包括量子計算在內(nèi)的應(yīng)用將會有重要的意義。

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