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中科院物理所Science:單層石墨烯折紙術!

原子級精确的碳納米材料不斷為材料科學帶來突破和驚喜,最近的一次,當屬魔角石墨烯了。理論預測,單層或雙層石墨烯經過折疊或者卷曲,形成的石墨烯納米結構将表現出有趣的電子特性。不過,這種折疊方法至今未能實現。
 
有鑒于此,中科院物理所高鴻鈞、杜世萱研究員合作報道了一種原子級精确的石墨烯折紙複雜納米結構,為探索石墨烯的新性能打開了新方向。
 
本文要點
 
要點1:在4K低溫條件下,研究人員利用STM針尖對石墨表面刻蝕的石墨烯納米島進行折疊和展開操作,折疊方向或任意為之不設限制。或沿着指定方向。折疊角度可以精确控制以在雙層石墨烯中創造不同的扭曲角,并形成管狀邊緣。
 
要點2:對單晶石墨烯納米島進行折疊,可以形成管狀邊緣,這種邊緣具有特殊的手性以及類似碳納米管的一維電子特性。對雙晶(bicrystal)石墨烯納米島進行折疊,可以實現精準的分子間連接。
要點3:所有折紙結構模型和電子能帶結構的理論計算都與實驗結果相符。他們還折疊出5-7環缺陷,并通過STM探索了這種異質結的獨特結構特征。
總之,這種原子級精确的石墨烯折紙為構建具有量子特性的碳納米結構提供了獨特的平台,為量子機器的實現提供了思路。
 
作者簡介:
高鴻鈞 
高鴻鈞,中科院院士,中科院物理研究所研究員,博士生導師,副所長。國家973計劃咨詢專家組成員,國際真空科學、技術與應用聯合會(IUVSTA)納米科學委員會主席,美國Appl. Phys. Lett.雜志副主編。主要研究方向:未來信息科學中的基本物理問題;納米量子結構及其操控;有機功能分子及其複合納米體系的組裝;掃描隧道顯微術在量子結構構造中的應用;石墨烯材料、物理與器件。

過去的主要工作及獲得的成果:
在納米體系的構造、結構表征與物性研究中,高鴻鈞及其研究團隊做出了一系列在國際上有影響力的工作。(1) 在超高密度信息存儲材料與特性的研究方面實現了單個分子尺度上的超高密度信息存儲。該項研究從1996年始至今一直持續居國際前沿地位,相關工作在2000年被美國物理學會選為Phys. Rev. Focus和Science News的研究亮點, 稱其為“奔向下一代的CD (Toward the next generation CD);其後NatureMaterials和 Nature Nanotechnology相繼亮點報道了進一步的穩定的、重複的、超高密度信息存儲的工作,“在國際上首次在單個Rotaxane類分子水平上實現的穩定的超高密度信息存儲”。

(2) 在STM成像機制方面,通過改進STM針尖,在國際上首次用STM同時清晰地分辨出Si(111)7×7表面單胞中的所有原子,顯示了自STM發明20年以來最高分辨的Si(111)7×7表面的STM圖像,理論計算揭示了通過對STM針尖的修飾改進,可以獲得表面納米結構中更加精細的電子結構信息。
(3) 在不同金屬表面成功制備了高度有序的、連續的、單晶石墨烯(graphene)薄膜;觀測到石墨烯的量子特性,研究了石墨烯的輸運性質,并利用這種單層石墨烯作為模闆控制原子和分子量子結構。石墨烯方面的研究成果2009年被Nature Nanotechnology等作為研究亮點報道。
杜世萱
杜世萱,中科院物理所研究員,博士生導師。主要從事計算凝聚态物理方面的研究。通過計算和模拟等手段,利用自行搭建的計算機群以及大規模并行計算機,開展功能分子在金屬、半導體等表面的組裝結構、生長機制、分子-基底相互作用,以及單分子物性等方面的研究,探索低維納米體系的物理規律,預測材料的結構和物理性質,以及結構與物性之間的關聯,為新型低維納米材料的開發和應用、結構與物性的調控等提供科學的依據。1. 低維納米結構在金屬單晶表面的自組裝機制、催化特性以及電、磁、光學特性的第一性原理計算研究;2. 金屬有機材料-石墨烯複合體系的表面及界面電子結構的第一性原理計算研究;3. 金屬/graphene表面單分子的量子效應和表面吸附/催化研究。
 
過去的主要工作及獲得的成果:
1、功能納米結構在金屬表面選擇性組裝機制及物性。
2、Rotaxane類分子的結構與電導轉變機制及其在超高密度信息存儲中的應用。
3、具有固定偏心軸的單分子馬達轉動機制的研究。
4、基于第一性原理計算,成功解釋了單分子自旋态量子調控的機制。
5、通過第一性原理計算研究金屬表面Graphene單層膜結構與物性,以及graphene/金屬表面分子自組裝機制。
6、與合作者共同提出了一種研究複雜分子表面動态系統的新方法:第一性原理靜态計算與時間分辨的隧穿電流譜(I-t)相結合,獲取表面動态過程中複雜分子的準确構型和能态分布,該研究結果對表面動态系統的研究提出了一種新的研究思路。
 
參考文獻:
HuiChen et al. Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures.Science 2019, 365, 1036-1040.
https://science.sciencemag.org/content/365/6457/1036
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