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科学家实现石墨烯纳米结构原子级精准的可控折叠

发布时间:2021-05-04人气:
本文摘要:探寻新型较低维碳纳米材料及其新奇物性仍然是当今科技领域的前沿科学问题之一。二维的石墨烯晶格结构被指出是其他众多的碳纳米结构的母体材料。 例如,将石墨烯结构沿着某一方向卷曲可以构成一维的碳纳米管,将具备五元环和七元的环石墨烯结构倾斜成球型结构才可构成富勒烯。石墨烯在未来纳米学器件的应用于,必须构筑具备三维形貌与准确简单的新型功能化石墨烯纳米结构。 目前在单原子层次上精准构筑和调控基于石墨烯的低维碳纳米结构仍不存在极大挑战。

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探寻新型较低维碳纳米材料及其新奇物性仍然是当今科技领域的前沿科学问题之一。二维的石墨烯晶格结构被指出是其他众多的碳纳米结构的母体材料。

例如,将石墨烯结构沿着某一方向卷曲可以构成一维的碳纳米管,将具备五元环和七元的环石墨烯结构倾斜成球型结构才可构成富勒烯。石墨烯在未来纳米学器件的应用于,必须构筑具备三维形貌与准确简单的新型功能化石墨烯纳米结构。

目前在单原子层次上精准构筑和调控基于石墨烯的低维碳纳米结构仍不存在极大挑战。“折纸法术”是一种把纸张腰出有各种特定形状和花样的艺术。艺术家们通过精巧的手法,把非常简单与单调的二维纸张变为丰富多彩的三维结构。不受这种艺术的灵感,拉链操控常常被精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,例如生物学领域可以将DNA单链拉链成简单的二维形状。

在宏观尺度下,不受折纸法术的灵感,科学家早已需要建构出有石墨烯功能器件甚至机器模型。理论预测找到,在原子尺度,通过对石墨烯的倾斜拉链,可以构筑出有具备新奇电子学特性的纳米结构。然而,石墨烯倾斜结构的电子学性质更容易受到局域的空位、减原子、边界等缺失结构的影响。

在单原子尺度准确地拉链石墨烯,尤其是根据类似必须沿特定方向对石墨烯展开拉链,具备很大的挑战性。最近,中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员高鸿钧团队的陈辉等人首次构建了对石墨烯纳米结构的原子级精准的高效率拉链,构筑出有一种新型的定三维石墨烯纳米结构。该结构由二维转动堆垛双层石墨烯纳米结构与一维的类碳纳米管结构构成。

他们通过扫瞄探针操纵技术构建了:(1)石墨烯纳米结构的原子级精准拉链与解法拉链;(2)同一个石墨烯结构沿给定方向的重复拉链;(3)填充角度准确固定式的转动堆垛的双层石墨烯纳米结构;(4)定一维碳纳米管纳米结构的构筑;(5)双晶石墨烯纳米结构的高效率拉链及其异质拢的构筑。他们应用于扫瞄隧道序与第一性原理计算出来确认拉链石墨烯的纳米结构的准确原子构型与局域电子态结构,找到通过石墨烯“纳米折纸法术”获得的定一维纳米管异质结具备有所不同的能带排序方式。

该工作在国际上首次构建了原子级精准掌控、按须要自定义的石墨烯拉链,这是目前世界上大于尺寸的石墨烯拉链。基于这种原子级精准的“折纸法术”,还可以拉链其它新型二维原子晶体材料和简单的叠层结构,进而制取出有功能纳米结构及其量子器件,研究其新奇物理现象。

例如,探寻魔角转动堆垛双层二维原子晶体材料的超导电性、流形特性和磁性,以及研究一维异质拢的输送性质及其应用于等。该研究工作对构筑量子材料和量子器件(机器)具备最重要的科学与技术上的意义。陈辉、张现利和张余洋为论文联合第一作者,杜世萱与高鸿钧为联合通讯作者。

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美国马里兰大学教授欧阳敏、范德堡大学S.T.Pantelides参予了辩论合作。该研究成果以Atomicallyprecise,custom-designorigamigraphenenanostructures为题,于9月6日公开发表在美国《科学》杂志上(Science365,1036(2019))。

图1原子级准确石墨烯折纸法术构筑三维石墨烯纳米结构。图2拉链方向准确掌控以及角度倒数固定式的转动堆垛双层石墨烯的构筑。图3手性结构与电子态准确固定式的类一维碳纳米边界结构的构筑。

图4拉链双晶石墨烯纳米片准确构筑异质结结构。


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