新材料之王原子级折叠可控中科院最新突破登上Science

近来，我国科学院高鸿钧团队传出喜讯，他们完结了在石墨烯上高精度的结构制造，精度现已达到了原子的等级。

这样的研讨效果不只显现了研讨团队关于纳米结构制造的高明技能，也再次将石墨烯这一纳米器材制造渠道推到了科学研讨的最前沿，关于可操控造特别性质的纳米器材，例如量子器材，有重要研讨含义。

此项效果以论文的方法发表于 9 月 6 日的Science杂志上，高鸿钧院士对DeepTech 标明，在本次工作中，团队运用课题组长时间堆集的扫描地道显微学原子操作技能，完结了原子级精准的石墨烯可控折叠，现在也在测验六方氮化硼等其他二维资料的可控折叠，以及运用原子级精准的可控折叠技能，构筑更为杂乱的二维纳米结构。

据介绍，高鸿钧课题组长时间致力于石墨烯的制备、物性研讨及潜在运用，是国际上最早的在金属衬底上外延成长高质量、大面积石墨烯的课题组之一。

（来历：麻省理工科技谈论）

在这次重要打破中，如此精细的原子级制造，必定运用了非常深邃难明的办法吧！其实不然，文章的榜首作者是来自中科院的陈辉、张现利和张余洋，他们在文顶用的词汇是“Orgami”——折纸艺术。

事实上，他们仅仅用 STM（扫描地道显微镜）将石墨烯折叠了一下。没错，他们登上Science的文章，仅仅是将一小块石墨烯折叠了一下，得出了很美妙的现象。

这种反差萌其实和石墨烯的特征发迹史一脉相承，石墨烯于 2004 年由英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）发现。其时获取石墨烯的办法称号很嘹亮：“机械剥离法”，也便是从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的双面粘在一种特别的胶带上，扯开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，所以薄片越来越薄，最终，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这便是石墨烯。

而他们也由于关于石墨烯研讨的卓越贡献，于 2010 年被颁发诺贝尔物理学奖，那年的诺奖也被称为是“用胶带撕出来”的。只能说咱们身边的科学有很多是源于日子，而高于日子的。

图丨 折纸艺术（来历：东方IC）

一向以来，石墨烯都被认为是“新资料之王”，这种特别的资料，也是科学家发现的第一批二维资料之一，是由碳原子以 sp 杂化轨迹组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米资料。

石墨烯杰出的特色是，高载流子迁移率、强度高、带隙可调等，是半导体研讨、纳米资料研讨的热门资料。

其次，石墨烯是制造一系列纳米资料的“母体”，咱们能够以石墨烯为“起点”，制造一系列有共同特性的资料，例如像足球相同的“富勒烯”，能够认为是由石墨烯的片段卷积而成；还有“碳纳米管（CNT）”，能够认为是用石墨烯“卷”起来的。最近，MIT 的研讨团队依据碳纳米管制造了一款具有超越 14,000 个晶体管的 16 位微处理器，刚刚登上Nature期刊。而依照不同的视点“卷”起来的碳纳米管，它们会有不同的物理特性。

那么，假如能够准确操操控造工艺，在石墨烯这个渠道上制造咱们想要的纳米资料就具有非常严重的研讨含义和宽广的运用远景了，也能为探究石墨烯的新功用翻开新方向。

怎么完结精细操作呢？研讨团队挑选了可能是当今世上最精贵的仪器——“STM（扫描地道显微镜）”进行操作，这种依据“量子隧穿效应”的仪器也是当今世上最精细的测验仪器之一，能够经过仪器中原子尺度等级的探针与样品之间的相互作用来完结“原子操作（Atomic Manipulation）”，即对单原子进行移动，并以此制造纳米结构。

图丨曾登上化学高考试题的“我国”，由我国科学家在1993年初次运用超真空扫描地道显微镜技能，在一块晶体硅（由硅原子构成）的外表直接移动硅原子写下了“我国”两字（来历：资料）

挑选了石墨烯，挑选了利器 STM，研讨人员就放开手脚大干了一场。他们首要运用 STM 将一小块石墨烯（原文是 graphene island，即石墨烯小岛），进行折叠和打开操作，折叠方向可所以随机的，也可所以准确操控沿着指定方向进行折叠。

这一次的折叠，是当今世界上最小的一次对石墨烯的折叠，而且不只能折叠，还能复位，假如没有非常准确的操控是不可能完结的。

高鸿钧解释道：“单纯的折叠和恢复其实比较快，便是在秒的量级。可是为了完结原子级精度的可控折叠，需求首要在高定向裂解石墨上取得适宜尺度的石墨烯纳米片，咱们现在运用的是氢离子炮击技能，一般需求 10 个循环的氢离子炮击，这个进程需求 10 个小时左右。一旦有了咱们规划尺度的石墨烯纳米片，折叠和恢复就能够很快，而且成功率也很高，可重复性也非常好。”

图丨 STM完结的石墨烯折叠和恢复 （来历：Science）

接着，研讨团队在折叠处发现了具有特别性质的结构——“褶子”，研讨团队将其称为“1D tubular”，如上图中 C 和 D 所示，明晰地记录了这个结构的高度尺度。他们发现这个结构和碳纳米管结构很相似，都是石墨烯卷起来相同的，那么它的性质会是怎样的呢？

电学测验标明，与碳纳米管相似，这样的结构具有一维资料的特性，电子在这种结构上只能做一维的运动，即向前或许向后。

图丨高鸿钧（来历：资料）

可是，该结构与传统碳纳米管比较也略有不同，对此高鸿钧解释道：“运用石墨烯折叠出来的 1D tubular 结构与传统的 CNT 比较，有着本身的特色。从原子结构视点来讲，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构成影响，咱们的理论核算标明，1D tubular 除了具有传统 CNT 的 1D van Hove 奇点特征以外，还具有一些有限尺度石墨烯片的电子结构特色。”也便是说，1D tubular 是运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。

所以高鸿钧团队开端考虑怎么运用这种结构制造器材，依据石墨烯具有的“双晶”特性，他们首要测验了“异质结”器材（一个器材由两种不同性质资料组成）的制造。

图丨石墨烯折叠构成（来历：Science）

分所谓“双晶”特性，便是一层石墨烯上可能会呈现两种摆放方向不同的蜂窝结构，即便都是六边形，就好像是用两张饼拼成了一张饼相同（如上图中的 A）。换一种说法，咱们也能够认为是在一层双晶石墨烯上能存在两种不同特点的石墨烯，也便是两种不同的资料。

假如咱们能够以一种可控的方法将这层双晶石墨烯以必定的视点折叠起来，那么在折叠的当地就能呈现两种资料的界面，也就能构成异质结的结构。

这种处于一维结构上的异质结可能会显现出不相同的电子特性，例如文章中报导的部分电子奇点等，或许会成为新式一维器材的制造方法。

关于资料的运用，高鸿钧充溢自傲地标明：“假如运用双晶石墨烯片进行可控折叠，能够得到传统 CNT 研讨中科学家一向想要取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头的电子结构能够相差很大，经过精心规划，能够做成传统半导体器材中的 pn 结，从而构建愈加丰厚的信息功用器材”。

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