本文摘要:探索新的低维碳纳米材料及其新颖的物理性质仍然是科学技术领域的前沿科学问题之一。

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探索新的低维碳纳米材料及其新颖的物理性质仍然是科学技术领域的前沿科学问题之一。二维石墨烯晶格结构被认为是许多其他碳纳米结构的母体材料。例如,一维碳纳米管可以通过沿某一方向卷曲石墨烯结构来形成,富勒烯可以通过将具有五元环和七元环的石墨烯结构倾斜成球形结构来形成。

在石墨烯在未来纳米技术器件中的应用中,必须构建具有三维形貌、精确和简单的新型功能化石墨烯纳米结构。目前,在单原子水平上精确构建和控制石墨烯基低维碳纳米结构并没有很大的挑战。

“折纸咒语”是一种制作各种特定形状和图案的纸腰的艺术。艺术家们通过巧妙的手法,把非常简单单调的二维纸张变成了五彩缤纷的三维结构。受这种艺术的启发,拉链操纵经常被微妙地用于许多科学技术的前沿领域,以构造具有不同形状和功能的结构、装置甚至机器。

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例如,在生物学中,DNA单链可以压缩成简单的二维形状。在宏观层面上,没有折纸咒语的启发,科学家们已经需要构建石墨烯功能器件,甚至机器模型。

理论预测表明,在原子尺度上,通过倾斜石墨烯的拉链,可以构建具有新颖电子特性的纳米结构。但是石墨烯倾斜结构的电子性质更容易受到局部空位、原子还原、边界等缺失结构的影响。在单原子尺度上对石墨烯进行精确的拉锁是非常具有挑战性的,尤其是根据相似性在特定方向上展开石墨烯的拉锁。

近日,中科院院士、中科院物理研究所研究员陈晖等人首次为石墨烯纳米结构构建了原子级精确高效的拉链,并构建了一种新型的固定三维石墨烯纳米结构。该结构由二维旋转层叠双层石墨烯纳米结构和一维类碳纳米管结构组成。他们通过扫描探针操纵技术构建了:(1)石墨烯纳米结构的原子级精密拉链和溶液拉链;(2)相同石墨烯结构沿给定方向的重复拉链;(3)旋转堆积的双层石墨烯纳米结构,填充角度精确固定;(4)一维碳纳米管纳米结构的构建;(5)双晶石墨烯纳米结构的高效拉链和异质拉链的构建。他们应用扫描隧道序列和第一性原理计算证实了拉链石墨烯纳米结构的精确原子构型和局域电子态结构,发现石墨烯“纳米折纸咒语”得到的固定一维纳米管异质结具有不同的能带有序模式。

这项工作是世界上第一次建造出原子级精确控制、按需定制的石墨烯拉链。这是目前世界上最大尺寸的石墨烯拉链。基于这种原子级精确的“折纸咒语”,可以压缩其他新的二维原子晶体材料和简单的叠层结构,然后可以制造功能性纳米结构及其量子器件,以研究其新颖的物理现象。例如,探索了具有魔角旋转堆积的双层二维原子晶体材料的超导性、流形性质和磁性,研究了一维非均匀聚集的输运性质及其应用。

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这项研究工作对量子材料和量子器件(机器)的构建具有最重要的科学和技术意义。张、张羽杨为论文的联合第一作者,杜、为联合通讯作者。马里兰大学的欧阳敏教授和范德比尔特大学的S.T .潘泰利德斯教授参加了辩论。这项名为原子级精确、定制设计的折纸图形结构的研究结果发表在9月6日的美国杂志《科学》上。

图1构建三维石墨烯纳米结构的原子级精确石墨烯折纸术。图2精确控制拉链方向的旋转堆叠双层石墨烯的构造。

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