近年來，能夠生產(chǎn)無缺陷單層石墨烯和其他2D材料的生長技術(shù)得到了長足的發(fā)展。實現(xiàn)石墨烯基納米電子學(xué)的關(guān)鍵要求和仍然存在的瓶頸在于能夠控制合成2D結(jié)構(gòu)的電子性質(zhì)，以及在相關(guān)制造規(guī)模下以可重復(fù)和一致的方式生產(chǎn)它們。2D范德華材料的性質(zhì)可以通過納米結(jié)構(gòu)或控制層堆垛來調(diào)節(jié)，其中層間雜化誘導(dǎo)奇異的電子態(tài)和輸運現(xiàn)象。

基于此，上海科技大學(xué)王竹君教授、德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)Marc-Georg Willinger、中科院深圳先進(jìn)院丁峰教授和中國人民大學(xué)季威教授課題組描述了一種可行的方法和潛在的機(jī)制來輔助自組裝的轉(zhuǎn)角石墨烯。這個過程可以在標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)氣相沉積（CVD）生長中實現(xiàn)，最好的描述是用紙的折紙（origami）和剪紙（kirigami）來類比。它涉及在單層石墨烯中可控地誘導(dǎo)褶皺形成，以及隨后的褶皺折疊、撕裂和再生長。該過程的本質(zhì)是形成交織的石墨烯螺旋，并將1D褶皺的手性角轉(zhuǎn)換為3D超晶格的2D轉(zhuǎn)角。該方法可以擴(kuò)展到其他可折疊的2D材料中，并有助于生產(chǎn)小型電子元件，包括電容器、電阻器、電感器和超導(dǎo)體。

課題組將此研究成果以"Conversion of chirality to twisting via sequential one-dimensional and two-dimensional growth of graphene spirals"為題發(fā)布在《Nature Materials》上。

圖文導(dǎo)讀

圖1石墨烯折紙-剪紙過程的觀察和說明

圖2撕裂褶皺處螺旋生長的初始化

圖3石墨烯螺旋(GSs)的生長和合并

圖4 石墨烯螺旋(GS)與高度有序熱解石墨(HOPG)的輸運性能比較

圖5管狀邊緣結(jié)構(gòu)

結(jié)論與展望

研究團(tuán)隊在此報告了一種石墨烯折紙方法（起皺、折疊、撕裂和裂紋、起皺、折疊、撕裂和開裂），從而實現(xiàn)了具有可控堆疊順序的石墨烯多層的螺旋生長。源自相鄰 GS 的石墨烯層的凝聚產(chǎn)生了 Frank-van der Merwe 生長行為。這一過程將一維石墨烯皺紋的手性轉(zhuǎn)化為二維石墨烯堆疊層的扭曲角。通過實時成像觀察了動力學(xué)路徑，并通過基于理論的螺旋演變模擬驗證了抽象的手性轉(zhuǎn)換機(jī)制。

有了這樣的基本認(rèn)識，研究團(tuán)隊就實現(xiàn)了具有固定扭轉(zhuǎn)角的交織石墨烯的生長。因此，通過改變手性石墨烯皺紋，可以調(diào)整相鄰層之間錯位的扭曲堆疊石墨烯層，并因其非常規(guī)超導(dǎo)性而備受關(guān)注。此外，這項工作對未來納米電感器件的開發(fā)具有深遠(yuǎn)影響，并為可擴(kuò)展地制造具有確定扭曲角度的多層石墨烯邁出了一步。根據(jù)這項工作所報告的機(jī)理，利用鉑的取向催化特性，種子生長和基底工程可用于定制形成具有預(yù)定扭曲角度的層堆。

未來，利用 SPM 作為電子顯微鏡裝置中的工具，可以直接在真實空間中實時跟蹤石墨烯的機(jī)械操作，并進(jìn)行精確的現(xiàn)場關(guān)聯(lián)。有了這樣的裝置，就能在 CVD 條件下通過 SPM 針尖操作精確控制折紙-千紙鶴過程，并相應(yīng)地實現(xiàn)預(yù)先確定的螺旋成核點密度和設(shè)計的扭曲角度。總之，這種折紙-剪紙方法實現(xiàn)了一維到二維的角度轉(zhuǎn)換，使我們能夠在多層石墨烯中設(shè)計扭曲角度，原則上適用于所有可折疊的二維材料。因此，我們的研究為將一維皺紋的手性轉(zhuǎn)換為垂直堆疊的三維超晶格的扭曲角提供了一種潛在的方法。

審核編輯：劉清