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9月6日电,记者从中国科学院获悉,经过多年研究攻关,中国科学院院士、中科院物理研究所研究员高鸿钧团队在世界上首次实现了原子级精准控制的石墨烯折叠,这是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠,对构筑量子材料和量子器件等具有重要意义。9月6日,这一成果在国际学术期刊《科学》上发表。

石墨烯自发现以来,不管是在物理还是材料领域,一直是热门的研究方向。经过多年研究攻关,中国科学院大学的研究团队在世界上首次实现了原子级精准控制的石墨烯折叠,构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构,这是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠,对构筑量子材料和量子器件等具有重要意义。2019年09月06日,相关成果以题为“Atomically
precise, custom-design origami graphene
nanostructures”的文章在线发表在Science上。

探索新型低维碳纳米材料及其新奇物性是世界前沿的科学问题之一。二维的石墨烯晶格结构被认为是其他众多碳纳米结构的母体材料,受局域空位、增原子、边界等缺陷结构的影响,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存在巨大挑战。
最近,北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧研究团队首次实现了原子级石墨烯精准可控折叠,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。研究团队通过扫描探针操控技术实现了五项突破:一是石墨烯纳米结构的原子级精准折叠与解折叠;二是同一个石墨烯结构沿任意方向的反复折叠;三是堆叠角度精确可调的旋转堆垛的双层石墨烯纳米结构;四是准一维碳纳米管纳米结构的构筑;五是双晶石墨烯纳米结构的可控折叠及其异质结的构筑。应用扫描隧道谱与第一性原理,确定了折叠石墨烯纳米结构的精确原子构型与局域电子态结构,发现由石墨烯可控折叠得到的准一维纳米管异质结具有不同的电子性质。该工作是国际上首次实现原子级精准控制、按需定制的石墨烯折叠,是目前世界上最小尺寸的石墨烯“折纸术”。该技术可用于折叠其它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,对未来包括量子计算在内的应用将会有重要的意义。该研究成果近期发表在Science上。

(原子级精确石墨烯“折纸术”构筑三维石墨烯纳米结构。中科院物理所供图)

通常,为了实现石墨烯纳米结构,研究人员会采用化学、电化学、机械剥离和辐照等方法。然而,这些方法往往不能得到结构规整、尺寸均一的石墨烯。这样一来,不合规的石墨烯纳米结构在制造石墨烯基器件时就会遇到极大的困难。探索新型低维碳纳米材料及其新奇物性是世界前沿的科学问题之一,相关研究曾两次获得诺贝尔奖。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存在巨大挑战。

探索新型低维碳纳米材料及其新奇物性是世界前沿的科学问题之一,相关研究曾两次获得诺贝尔奖。二维的石墨烯晶格结构被认为是其他众多的碳纳米结构的母体材料。不过,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存在巨大挑战。

图1 利用STM进行石墨烯折叠

“折纸术”是一种把纸张折出各种特定形状和花样的艺术。艺术家们通过精妙的手法,把简单与单调的二维纸张变成丰富多彩的三维结构。受这种艺术的启发,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,例如生物学领域可以将DNA单链折叠成复杂的二维形状的方法等。

图2 精确控制石墨烯折叠过程

图二,折叠方向精确控制以及角度连续可调的旋转堆垛双层石墨烯的构筑。

中国科学院大学的高鸿钧院士和杜世萱研究员等人受到折纸工艺的启发,开发了新型的石墨烯设计加工工艺。该研究利用低温扫描隧道显微镜对石墨烯进行操控,研究人员沿任意指定方向对石墨烯纳米岛进行折叠-展开处理。经过反复的折叠-展开,研究人员获得了具有可调节扭曲角和层间管状边缘连接的双层石墨烯,经测量发现,扭曲角最大可至60度,加工精度可达至0.1度。研究人员进一步发现,折叠单晶GNIs能够创造具有特定手性的管状边缘,具有与碳纳米管相似的一维电子特征。研究认为,原子级精确的石墨烯“折纸”术为纳米碳结构的构筑提供了新方法,并赋予石墨烯独特的量子性质,为最终用于器件制造和设计提供了新的机遇。

在宏观尺度下,科学家已经能够构建出石墨烯功能器件甚至机器模型。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。

图3 一维管状结构的手性及电子特性

受折纸艺术的启发,折叠操纵经常被巧妙地用于很多科学技术前沿领域。最近,中国科学院物理研究所高鸿钧研究团队的陈辉博士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。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。

图4 构建一维碳材料异质结

这也是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠。基于这种原子级精准的“折纸术”,还可以折叠其它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。

高鸿钧院士介绍:这个就是纳米扫描探针,我们通过探针去操纵石墨烯转动,石墨烯是双晶结构,对双晶石墨烯折叠之后,就可以形成异质结。这个异质结本身如果做成器件的话,它就是一个非常有应用前景的量子器件。

据了解,受到“折纸术”的启发,折叠操纵常被巧妙地用在很多科学技术前沿领域,比如生物学领域将DNA单链折叠成复杂的二维形状。类似折叠也同样适用于石墨烯,理论上,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。

据了解,该研究成果是目前世界上最小尺寸的石墨烯可控折叠。基于这种原子级精准的“折纸术”,还可以折叠其它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。

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。

高鸿钧院士:折叠之后,这些新型的二维原子晶体材料有可能由没有超导特性变成超导特性,没有磁性可以变成有磁性。
利用这样一些特性的变化去构造功能的量子器件,对未来的应用将会有重要的意义,比如量子计算等等。

所以,此次中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员高鸿钧团队的陈辉等人实现对石墨烯结构的原子级精准可控折叠是具有里程碑意义的,他们通过扫描探针操控技术,可以让石墨烯结构沿任意方向反复折叠、堆叠角度精确可调。

文献链接:Atomically precise, custom-design origami graphene
nanostructures

这也是国际上首次实现原子级精准控制、按需定制的石墨烯折叠,中国科学院院士高鸿钧表示,折叠之后,这些新型的二维原子晶体材料有可能由没有超导特性变成超导特性,没有磁性可以变成有磁性。利用这样一些特性变化去构造功能的量子器件,对未来的应用将会有重要的意义,比如量子计算等等。

高鸿钧说,石墨烯折叠之后,这些新型的二维原子晶体材料有可能由没有超导特性变成具有超导特性,没有磁性可以变成有磁性。利用这样一些特性的变化去构造功能的量子器件,对未来包括量子计算在内的应用将会有重要的意义。

研究团队通过扫描探针操控技术,具体实现了五方面突破:一是石墨烯纳米结构的原子级精准折叠与解折叠;二是同一个石墨烯结构沿任意方向的反复折叠;三是堆叠角度精确可调的旋转堆垛的双层石墨烯纳米结构;四是准一维碳纳米管纳米结构的构筑;五是双晶石墨烯纳米结构的可控折叠及其异质结的构筑。研究团队还发现,通过石墨烯“纳米折纸术”得到的准一维纳米管异质结具有不同的能带排列方式。

图三,手性结构与电子态精确可调的类一维碳纳米边界结构的构筑。

中国科学家在国际上首次实现原子级精准的、按需定制的、目前世界上最小的石墨烯“折纸”这项成果,还可以用于构筑其他新型二维原子晶体材料的折叠纳米结构及其异质结量子器件、构筑多种二维原子晶体材料的复杂折叠结构及其异质结量子器件、原位干净地研究所折叠结构的物理特性等,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,同时也对构筑新型量子材料与量子器件(机器)及其应用具有重要的科学意义。

图四,折叠双晶石墨烯纳米片精确构筑异质结结构。

该工作由中科院物理所博士后陈辉、国科大博士生张现利和国科大物理学院副教授张余洋作为共同第一作者完成,杜世萱与高鸿钧为共同通讯作者。美国马里兰大学的欧阳敏教授、范德堡大学的S.
T. Pantelides参与了讨论合作。该研究成果以“Atomically precise,
custom-design origami graphene
nanostructures”为题,于2019年9月6日发表在美国《科学》杂志上 (Science
365, 1036 (2019))。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,是新材料产业的先导,带动传统制造业转型升级。石墨烯具有重大意义,近年来我国积极发展石墨烯产业。中国是世界石墨资源大国之一,产业前景广阔,市场规模持续增长。据数据显示,2018年中国石墨烯市场规模飞涨突破百亿元,约达280亿元。预计2019年,石墨烯产业规模进一步扩大,市场规模将超670亿元。到2021年,石墨烯市场规模过将达2000亿元。

目前,在我国石墨烯产业中,涉及应用方面的企业最多,占比近四成。其次为研发领域,占比19%。技术服务、制备领域的企业数量各占14%。从分布来看,目前国内石墨烯产业已基本形成以长三角、珠三角和京津冀鲁区域为产业集群,多地分布式发展的石墨烯产业格局。

长三角地区是我国石墨烯产业发展较早的地区,同时产业链也较为完善。该地区依托当地良好的产业发展平台以及完善的产业发展体系,形成了涵盖石墨烯制备、新能源、复合材料、热管理等领域的综合产业发展模式。

珠三角地区石墨烯产业链下游应用市场发展较快,尤其是在石墨烯的生产、设备制造方面具有较大的优势。以此为基础,珠三角地区的企业主要布局于材料、电加热、大健康、新能源等下游应用领域,产业发展路径较为清晰。

京津冀地区围绕北京进行石墨烯技术的创新与产业协同,以推进低成本石墨烯及装备技术进步和产业化为目标,构建产业链并推动链上各个环节协同联动和良性互动,进一步整合三地资源,形成京津冀战略性新兴产业高地。

此外,山东省也是国内石墨烯产业极具发展势头的地区之一。目前,山东省已具备了石墨烯产业链雏形,相关企业积极布局于石墨烯原材料、石墨烯装备、防腐涂料、导电油墨、锂离子电池、石墨烯改性橡胶密封件、石墨烯水处理材料等方面。

未来,我国的石墨烯行业区域发展将呈现三大趋势:

一是产业资源加速整合,东部沿海等石墨烯产业发展较快地区的资源要素将进一步汇聚,为产业发展提供更便利的环境。

二是政策利好,未来石墨烯研究院、产业园的示范试点项目将陆续落实,石墨烯产业发展越来越受到重视。

三是石墨烯产业将呈现“特色化、差异化”发展,区域分工格局更加明晰。

文章来源:中国青年报客户端

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