石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來，不管是在物理還是材料領(lǐng)域，一直是熱門的研究方向。經(jīng)過多年研究攻關(guān)，中國科學(xué)院大學(xué)的研究團隊在世界上首次實現(xiàn)了原子級精準(zhǔn)控制的石墨烯折疊，構(gòu)筑出一種新型的準(zhǔn)三維石墨烯納米結(jié)構(gòu)，這是目前世界上最小尺寸的石墨烯折疊，對構(gòu)筑量子材料和量子器件等具有重要意義。2019年09月06日，相關(guān)成果以題為“Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures”的文章在線發(fā)表在Science上。

通常，為了實現(xiàn)石墨烯納米結(jié)構(gòu)，研究人員會采用化學(xué)、電化學(xué)、機械剝離和輻照等方法。然而，這些方法往往不能得到結(jié)構(gòu)規(guī)整、尺寸均一的石墨烯。這樣一來，不合規(guī)的石墨烯納米結(jié)構(gòu)在制造石墨烯基器件時就會遇到極大的困難。探索新型低維碳納米材料及其新奇物性是世界前沿的科學(xué)問題之一，相關(guān)研究曾兩次獲得諾貝爾獎。目前在單原子層次上精準(zhǔn)構(gòu)筑和調(diào)控基于石墨烯的低維碳納米結(jié)構(gòu)仍存在巨大挑戰(zhàn)。

圖1 利用STM進行石墨烯折疊

圖2 精確控制石墨烯折疊過程

中國科學(xué)院大學(xué)的高鴻鈞院士和杜世萱研究員（共同通訊作者）等人受到折紙工藝的啟發(fā)，開發(fā)了新型的石墨烯設(shè)計加工工藝。該研究利用低溫掃描隧道顯微鏡對石墨烯進行操控，研究人員沿任意指定方向?qū)κ┘{米島（GNIs）進行折疊-展開處理。經(jīng)過反復(fù)的折疊-展開，研究人員獲得了具有可調(diào)節(jié)扭曲角和層間管狀邊緣連接的雙層石墨烯，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，扭曲角最大可至60度，加工精度可達至0.1度。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，折疊單晶GNIs能夠創(chuàng)造具有特定手性的管狀邊緣，具有與碳納米管相似的一維電子特征。研究認為，原子級精確的石墨烯“折紙”術(shù)為納米碳結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑提供了新方法，并賦予石墨烯獨特的量子性質(zhì)，為最終用于器件制造和設(shè)計提供了新的機遇。

圖3 一維管狀結(jié)構(gòu)的手性及電子特性

圖4 構(gòu)建一維碳材料異質(zhì)結(jié)

高鴻鈞院士介紹：這個就是納米掃描探針，我們通過探針去操縱石墨烯轉(zhuǎn)動，石墨烯是雙晶結(jié)構(gòu)，對雙晶石墨烯折疊之后，就可以形成異質(zhì)結(jié)。這個異質(zhì)結(jié)本身如果做成器件的話，它就是一個非常有應(yīng)用前景的量子器件。

據(jù)了解，該研究成果是目前世界上最小尺寸的。基于這種原子級精準(zhǔn)的“折紙術(shù)”，還可以折疊其它新型二維原子晶體材料和復(fù)雜的疊層結(jié)構(gòu)，進而制備出功能納米結(jié)構(gòu)及其量子器件。

高鴻鈞院士：折疊之后，這些新型的二維原子晶體材料有可能由沒有超導(dǎo)特性變成（有）超導(dǎo)特性，沒有磁性可以變成有磁性。 利用這樣一些特性的變化去構(gòu)造功能的量子器件，對未來的應(yīng)用將會有重要的意義，比如量子計算等等。

文獻鏈接：Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax7864）