北理工教授與合作者在二維材料褶皺研究中取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-08-07 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 攝影：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：楊婧 審核：陳棋 閱讀次數(shù)：
以石墨烯為代表的二維材料具有豐富的物理,、化學(xué)性質(zhì),，是當(dāng)今凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)和信息技術(shù)等領(lǐng)域的重要研究方向之一,。作為一種典型的二維材料,，石墨烯展現(xiàn)出了優(yōu)異的物理性質(zhì)，如高遷移率,、室溫量子霍爾效應(yīng)等,。相比于三維材料體系，二維材料的獨(dú)特優(yōu)勢在于可調(diào)控性非常強(qiáng),，可以利用電場,、應(yīng)變場、基底和轉(zhuǎn)角等實(shí)現(xiàn)對二維材料新奇物性的調(diào)控,。對于二維材料結(jié)構(gòu)的調(diào)控是發(fā)現(xiàn)新物理效應(yīng)的有效手段,。
在過去幾年的研究中,，北京理工大學(xué)黃元教授與國內(nèi)外合作者圍繞二維材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控發(fā)展了多種新技術(shù)，如二維材料褶皺,、氣泡和懸空結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)等[1-5],，這些新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二維到一維（褶皺）和三維（氣泡）的維度變換，為研究石墨烯等材料的新奇物性提供了材料基礎(chǔ),。褶皺通常是二維材料受到面內(nèi)擠壓應(yīng)力后形成的,，是研究二維材料向一維過渡時的典型結(jié)構(gòu)。2020年,，黃元教授等與合作者發(fā)展了快速冷卻法制備二維材料褶皺的新技術(shù),，高效的獲得了多種二維材料的規(guī)則褶皺結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)褶皺產(chǎn)生后的層間距增加效應(yīng)[1-2],。這一層間距增加的效應(yīng)可以通過數(shù)學(xué)上的勾股定理嚴(yán)格證明,，是只與層狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與具體層狀材料類型無關(guān)的一條普適性規(guī)律,。有趣的是，黃元教授與地球科學(xué)領(lǐng)域的研究團(tuán)隊合作,，發(fā)現(xiàn)地殼的層狀結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生褶皺（大型山脈）,。地殼層間距的增加會為流體物質(zhì)提供天然通道，從而在宏觀層面引發(fā)新的現(xiàn)象,，統(tǒng)計結(jié)果表明世界上大型山脈的分布與地震,、火山和礦藏資源分布存在密切關(guān)聯(lián)，這為尋找一些稀有資源提供了新的研究思路[6-8],。因此,，關(guān)于二維材料褶皺的研究為開展多學(xué)科交叉研究提供了一個很好的平臺。
近日,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃元教授與上?？萍即髮W(xué)王竹君教授、中國人民大學(xué)季威教授,，深圳理工大學(xué)丁峰教授,，以及中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞院士等國內(nèi)外團(tuán)隊開展合作，在二維材料褶皺研究中取得了新的進(jìn)展,。在該工作中,，團(tuán)隊合作者利用石墨烯褶皺發(fā)展了新型制備螺旋石墨烯的折紙剪紙技術(shù)[8]，為揭示螺旋石墨的生長機(jī)理以及研究角度依賴的石墨烯量子效應(yīng)等奠定了堅實(shí)的理論基礎(chǔ),，文章發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Materials》上（題目：Conversion of chirality to twisting via sequential one-dimensional and two-dimensional growth of graphene spirals）,，黃元教授為本工作的共同第一作者，王竹君教授,，季威教授,，丁峰教授,，以及德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)Marc-Georg Willinger?教授為本工作的共同通訊作者。
在該工作中,，研究人員發(fā)現(xiàn),，利用在不同鉑（Pt）晶面的臺階形貌、比表面積,、能量以及密勒指數(shù)之間的差異,，可以誘導(dǎo)石墨烯朝特定方向形成褶皺并傾斜(折紙)，從而獲得了具有特定手性角度的一維石墨烯帶狀褶皺結(jié)構(gòu),。在高溫下,，可以利用氫氣對彎曲度較大的石墨烯褶皺進(jìn)行刻蝕，從而導(dǎo)致石墨烯帶狀褶皺“撕裂”,，邊緣被“切開”,，從而獲得了SP2碳結(jié)構(gòu)的螺旋位錯。隨后,，停止氫氣刻蝕過程,，使碳原子沿著暴露的石墨烯邊界繼續(xù)層狀生長，最終可以得到具有特定固定層間轉(zhuǎn)角的微米甚至毫米級尺寸的石墨烯雙/四螺旋結(jié)構(gòu),。這種生長方式是典型Frank-van der Merwe生長類型,，相鄰的兩個螺旋位點(diǎn)之間存在相反的Brug矢量，在生長過程中兩個螺旋整體的Brug矢量相互抵消,。忽略多層石墨烯的中心區(qū)域,，即每個石墨烯螺旋出現(xiàn)的地方，多層石墨烯的堆疊順序與通過逐層成核生長的順序完全相同,。研究人員利用原位掃描電子顯微鏡（SEM）對石墨烯螺旋的生長過程進(jìn)行了直接的觀察,，并通過透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）和電輸運(yùn)測量等手段對生長后的石墨烯螺旋進(jìn)行了表征,。
上述研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃,、國家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目、中國科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目等支持,。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01632-y
圖1. 石墨烯褶皺折疊并撕裂后的初始化螺旋生長過程,。通過掃描電子顯微鏡可以看出，相鄰兩個螺旋結(jié)構(gòu)的手性相反,。
圖2. 石墨烯螺旋的形成過程示意圖及掃描電子顯微鏡照片,。制備石墨烯螺旋的過程大致分為褶皺形成階段，褶皺隆起和撕裂階段,，以及便于邊緣被刻蝕后的生長階段,。
圖3. 石墨烯螺旋結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖片及上視圖/側(cè)視圖。
附作者簡介：
黃元，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授,，博士生導(dǎo)師,。主要研究領(lǐng)域集中在二維材料的制備、表征,、器件加工和物性測量/調(diào)控等方向,。近年來，黃元與合作者在物理,、化學(xué),、材料、信息和地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域開展了一系列交叉科學(xué)研究,。在Nature Materials, Nature Physics,、Nature Communications、Physical Review Letters,，ACS Nano, Nano Letters等共計發(fā)表SCI論文120余篇,，其中第一作者（含共一）及通訊作者文章60余篇，論文總引用5800余次,。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（青年項(xiàng)目）,，主持國家基金委優(yōu)秀青年基金和面上項(xiàng)目，重慶市杰出青年基金項(xiàng)目,。2019年入選中科院青促會會員,，2020年入選中科院青促會數(shù)理分會理事，2020年獲中國科協(xié)“中國十大科技新銳人物”榮譽(yù)稱號,，2021年獲中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎創(chuàng)新獎二等獎(排名第一),，2022年獲中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)成果獎二等獎（排名第二）,；2023年獲日內(nèi)瓦發(fā)明展覽會銀獎（排名第一）,。擔(dān)任Physical Review Letters，Nature Communications, ACS Nano, Nano Letters,，《物理學(xué)報》等國內(nèi)外知名期刊審稿人,；擔(dān)任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年編委。
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