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國際首次 陸用「石墨烯」隨意摺紙,實現原子級精準控制的石墨烯奈米結構摺疊2019-09-08

旺報-綜合報導
中國科學院物理研究所高鴻鈞院士領導的研究團隊,最近在國際上首次實現了原子級精準控制的石墨烯奈米結構摺疊,這是目前世界上最小尺寸的、可按需定製的石墨烯「摺紙」。這一重要研究成果,獲權威國際學術期刊《科學》雜誌發表。
該院6日發布消息說,探索新型低維碳奈米材料及其新奇物性,一直是當今科技領域的前沿科學問題之一,而二維(2D)的石墨烯晶格結構被認為是其他眾多碳奈米結構的母體材料。

堆疊角度可精確調整
通過對石墨烯的彎曲摺疊,可以構築出具有新奇電子學特性的奈米結構,但在單原子尺度精確地摺疊石墨烯,特別是根據特殊需要沿特定方向對石墨烯進行摺疊,具有極大挑戰性。
研究團隊的陳輝博士等人通過科研攻關,在世界上首次實現了對石墨烯奈米結構的原子級精準的可控摺疊,構築出一種新型的準3D石墨烯奈米結構,它由2D旋轉堆垛雙層石墨烯奈米結構與1D的類碳奈米管結構組成。
陳輝等人發表的論文顯示,此次研究不僅實現了簡單的摺疊,還可以在摺疊後將石墨烯成功展開,並能讓同一個石墨烯結構沿任意方向反覆摺疊,還創造出堆疊角度精確可調的特定雙層石墨烯奈米結構。
研究團隊還發現,通過石墨烯「奈米摺紙術」得到的準1D奈米管異質結,具有不同的能帶排列方式。

 
可構築2D原子晶體材料
高鴻鈞介紹,通過摺疊所獲取的新材料可能獲得摺疊前所沒有的超導性或磁性,這樣一些特性的變化,對未來的應用會有重要意義。
石墨烯「摺紙」這項成果,還可以用於構築其他新型2D原子晶體材料的摺疊奈米結構,同時也對構築新型量子材料與量子器件(機器)及其應用具有重要的科學意義。
研究團隊通過掃描探針操控技術,具體實現了5方面突破:一是石墨烯奈米結構的原子級精準摺疊與解摺疊;二是同一個石墨烯結構沿任意方向的反覆摺疊;三是堆疊角度精確可調的旋轉堆垛的雙層石墨烯奈米結構;四是準1D碳奈米管奈米結構的構築;五是雙晶石墨烯奈米結構的可控摺疊及其異質結的構築。

使用特殊顯微鏡摺疊
中國科學院物理研究所研究團隊首次實現對石墨烯奈米結構的原子級精準的可控摺疊。相關論文共同聯繫作者杜世萱介紹,此次研究所用來摺疊的石墨烯「紙」厚度不到0.2奈米,科研人員是在特殊的顯微鏡下完成摺疊。
他指出,此次摺疊出來的一種石墨烯奈米片結構具有電子元器件的一些特性,今後隨著研究的進一步深入,有可能利用石墨烯的「摺紙術」創造出效率更高的手機、電腦等電子設備。
中國科學院物理研究所介紹,想要「摺疊」石墨烯並不簡單,因為把石墨烯彎曲起來後,其結構的電子學性質容易受到多方面因素的影響,特別是根據特殊需要沿特定方向對石墨烯進行摺疊,具有極大的挑戰性。
杜世萱表示,相比約0.1毫米厚的普通A4紙,陳輝等人用來摺疊的石墨烯厚度不到0.2奈米,相當於A4紙50萬分之一的厚度。為了摺疊這樣薄的「紙」,科研人員需要操作一種特殊的掃描隧道顯微鏡,「光是練習在這種顯微鏡下進行操作,可能就要花幾個月的時間。」
為了能夠摺疊石墨烯,科研人員花了一年多的時間做準備,如尋找適合摺疊石墨烯的環境。杜世萱說,比如一張紙,放在沾滿膠水的桌子上,就很難給它摺疊起來。石墨烯的摺疊也是一樣,環境中的電、磁等都可能是黏住石墨烯的「膠水」。所以找到一個不會影響摺疊的環境是非常重要的。
杜世萱解釋說,一般摺紙,我們會用兩根手指夾住紙的一端,把紙給摺疊起來。但有的時候,由於手上有靜電或者比較濕,我們一根手指就能把紙的一端提起來。摺疊石墨烯就有些像後一種情況,用一個帶微弱電流的針,去吸引本身也有電的石墨烯,用針去引導石墨烯移動到指定的位置。
石墨烯是一種奈米級的新型2D材料,在電學方面有望成為新一代電子元器件的基材,因此多年來一直是物理學研究的熱門話題。
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