【儀表網(wǎng) 儀表上游】探索新型低維碳納米材料及其新奇物性一直是當(dāng)今科技領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題之一。二維的石墨烯晶格結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是其他眾多的碳納米結(jié)構(gòu)的母體材料。例如，將石墨烯結(jié)構(gòu)沿著某一方向卷曲可以形成一維的碳納米管，將具有五元環(huán)和七元環(huán)石墨烯結(jié)構(gòu)彎曲成球型結(jié)構(gòu)即可形成富勒烯。石墨烯在未來納米學(xué)器件的應(yīng)用，需要構(gòu)筑具有三維形貌與復(fù)雜的新型功能化石墨烯納米結(jié)構(gòu)。目前在單原子層次上構(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)。
 

　　“折紙術(shù)”是一種把紙張折出各種特定形狀和花樣的藝術(shù)。藝術(shù)家們通過精妙的手法，把簡單與單調(diào)的二維紙張變成豐富多彩的三維結(jié)構(gòu)。受這種藝術(shù)的啟發(fā)，折疊操縱經(jīng)常被巧妙地用在很多科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域，用來構(gòu)筑形狀與功能各異的結(jié)構(gòu)、器件甚至機(jī)器，例如生物學(xué)領(lǐng)域可以將DNA單鏈折疊成復(fù)雜的二維形狀。在宏觀尺度下，受折紙術(shù)的啟發(fā)，科學(xué)家已經(jīng)能夠構(gòu)建出石墨烯功能器件甚至機(jī)器模型。理論預(yù)測發(fā)現(xiàn)，在原子尺度，通過對(duì)石墨烯的彎曲折疊，可以構(gòu)筑出具有新奇電子學(xué)特性的納米結(jié)構(gòu)。然而，石墨烯彎曲結(jié)構(gòu)的電子學(xué)性質(zhì)容易受到局域的空位、增原子、邊界等缺陷結(jié)構(gòu)的影響。在單原子尺度地折疊石墨烯，特別是根據(jù)特殊需要沿特定方向?qū)κ┻M(jìn)行折疊，具有極大的挑戰(zhàn)性。
 

　　近，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員高鴻鈞團(tuán)隊(duì)的陳輝等人實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯納米結(jié)構(gòu)的原子級(jí)的可控折疊，構(gòu)筑出一種新型的準(zhǔn)三維石墨烯納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由二維旋轉(zhuǎn)堆垛雙層石墨烯納米結(jié)構(gòu)與一維的類碳納米管結(jié)構(gòu)組成。他們通過掃描探針操控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了：(1)石墨烯納米結(jié)構(gòu)的原子級(jí)折疊與解折疊；(2)同一個(gè)石墨烯結(jié)構(gòu)沿任意方向的反復(fù)折疊；(3)堆疊角度可調(diào)的旋轉(zhuǎn)堆垛的雙層石墨烯納米結(jié)構(gòu)；(4)準(zhǔn)一維碳納米管納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑；(5)雙晶石墨烯納米結(jié)構(gòu)的可控折疊及其異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑。他們應(yīng)用掃描隧道譜與性原理計(jì)算確定折疊石墨烯的納米結(jié)構(gòu)的原子構(gòu)型與局域電子態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)通過石墨烯“納米折紙術(shù)”得到的準(zhǔn)一維納米管異質(zhì)結(jié)具有不同的能帶排列方式。
 

　　該工作在上實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)控制、按需定制的石墨烯折疊，這是目前世界上小尺寸的石墨烯折疊。基于這種原子級(jí)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(jìn)而制備出功能納米結(jié)構(gòu)及其量子器件，研究其新奇物理現(xiàn)象。例如，探索魔角旋轉(zhuǎn)堆垛雙層二維原子晶體材料的超導(dǎo)電性、拓?fù)涮匦院痛判裕约把芯恳痪S異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)及其應(yīng)用等。該研究工作對(duì)構(gòu)筑量子材料和量子器件(機(jī)器)具有重要的科學(xué)與技術(shù)上的意義。
 

　　陳輝、張現(xiàn)利和張余洋為論文共同作者，杜世萱與高鴻鈞為共同通訊作者。美國馬里蘭大學(xué)教授歐陽敏、范德堡大學(xué)S. T. Pantelides參與了討論合作。該研究成果以Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures 為題，于9月6日發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上(Science 365, 1036 (2019))。