北理工教授與合作者在二維材料褶皺研究中取得進展
發布日期：2023-08-07 供稿：前沿交叉科學研究院 攝影：前沿交叉科學研究院
編輯：楊婧 審核：陳棋 閱讀次數：
以石墨烯為代表的二維材料具有豐富的物理、化學性質，是當今凝聚態物理、材料科學和信息技術等領域的重要研究方向之一。作為一種典型的二維材料，石墨烯展現出了優異的物理性質，如高遷移率、室溫量子霍爾效應等。相比于三維材料體系，二維材料的獨特優勢在于可調控性非常強，可以利用電場、應變場、基底和轉角等實現對二維材料新奇物性的調控。對于二維材料結構的調控是發現新物理效應的有效手段。
在過去幾年的研究中，北京理工大學黃元教授與國內外合作者圍繞二維材料的結構調控發展了多種新技術，如二維材料褶皺、氣泡和懸空結構的制備技術等[1-5]，這些新技術實現了二維到一維（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。褶皺通常是二維材料受到面內擠壓應力后形成的，是研究二維材料向一維過渡時的典型結構。2020年，黃元教授等與合作者發展了快速冷卻法制備二維材料褶皺的新技術，高效的獲得了多種二維材料的規則褶皺結構，并發現褶皺產生后的層間距增加效應[1-2]。這一層間距增加的效應可以通過數學上的勾股定理嚴格證明，是只與層狀結構有關，而與具體層狀材料類型無關的一條普適性規律。有趣的是，黃元教授與地球科學領域的研究團隊合作，發現地殼的層狀結構也會產生褶皺（大型山脈）。地殼層間距的增加會為流體物質提供天然通道，從而在宏觀層面引發新的現象，統計結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聯，這為尋找一些稀有資源提供了新的研究思路[6-8]。因此，關于二維材料褶皺的研究為開展多學科交叉研究提供了一個很好的平臺。
近日，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃元教授與上海科技大學王竹君教授、中國人民大學季威教授，深圳理工大學丁峰教授，以及中國科學院物理研究所高鴻鈞院士等國內外團隊開展合作，在二維材料褶皺研究中取得了新的進展。在該工作中，團隊合作者利用石墨烯褶皺發展了新型制備螺旋石墨烯的折紙剪紙技術[8]，為揭示螺旋石墨的生長機理以及研究角度依賴的石墨烯量子效應等奠定了堅實的理論基礎，文章發表在國際學術期刊《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大學Marc-Georg Willinger?教授為本工作的共同通訊作者。
在該工作中，研究人員發現，利用在不同鉑（Pt）晶面的臺階形貌、比表面積、能量以及密勒指數之間的差異，可以誘導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構。在高溫下，可以利用氫氣對彎曲度較大的石墨烯褶皺進行刻蝕，從而導致石墨烯帶狀褶皺“撕裂”，邊緣被“切開”，從而獲得了SP2碳結構的螺旋位錯。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層狀生長，最終可以得到具有特定固定層間轉角的微米甚至毫米級尺寸的石墨烯雙/四螺旋結構。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域，即每個石墨烯螺旋出現的地方，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）和電輸運測量等手段對生長后的石墨烯螺旋進行了表征。
上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金優青項目、中國科學院先導B項目等支持。
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，相鄰兩個螺旋結構的手性相反。
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. 石墨烯螺旋結構的原子力顯微鏡圖片及上視圖/側視圖。
附作者簡介：
黃元，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，博士生導師。主要研究領域集中在二維材料的制備、表征、器件加工和物性測量/調控等方向。近年來，黃元與合作者在物理、化學、材料、信息和地質科學領域開展了一系列交叉科學研究。在Nature Materials, Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters，ACS Nano, Nano Letters等共計發表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。主持國家重點研發計劃（青年項目），主持國家基金委優秀青年基金和面上項目，重慶市杰出青年基金項目。2019年入選中科院青促會會員，2020年入選中科院青促會數理分會理事，2020年獲中國科協“中國十大科技新銳人物”榮譽稱號，2021年獲中國發明協會發明創業獎創新獎二等獎(排名第一)，2022年獲中國發明協會發明創業成果獎二等獎（排名第二）；2023年獲日內瓦發明展覽會銀獎（排名第一）。擔任Physical Review Letters，Nature Communications, ACS Nano, Nano Letters，《物理學報》等國內外知名期刊審稿人；擔任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年編委。
分享到：