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中科院物理所Science:单层石墨烯折纸术!

中科院物理所Science:单层石墨烯折纸术!原子级精确的碳纳米材料不断为材料科学带来突破和惊喜,最近的一次,当属魔角石墨烯了。理论预测,单层或双层石墨烯经过折叠或者卷曲,形成的石墨烯纳米结构将表现出有趣的电子特性。不过,这种折叠方法至今未能实现。
 
有鉴于此,中科院物理所高鸿钧、杜世萱研究员合作报道了一种原子级精确的石墨烯折纸复杂纳米结构,为探索石墨烯的新性能打开了新方向。
 
本文要点
 
要点1:在4K低温条件下,研究人员利用STM针尖对石墨表面刻蚀的石墨烯纳米岛进行折叠和展开操作,折叠方向或任意为之不设限制。或沿着指定方向。折叠角度可以精确控制以在双层石墨烯中创造不同的扭曲角,并形成管状边缘。
  中科院物理所Science:单层石墨烯折纸术!
要点2:对单晶石墨烯纳米岛进行折叠,可以形成管状边缘,这种边缘具有特殊的手性以及类似碳纳米管的一维电子特性。对双晶(bicrystal)石墨烯纳米岛进行折叠,可以实现精准的分子间连接。
中科院物理所Science:单层石墨烯折纸术!
要点3:所有折纸结构模型和电子能带结构的理论计算都与实验结果相符。他们还折叠出5-7环缺陷,并通过STM探索了这种异质结的独特结构特征。
中科院物理所Science:单层石墨烯折纸术!
总之,这种原子级精确的石墨烯折纸为构建具有量子特性的碳纳米结构提供了独特的平台,为量子机器的实现提供了思路。
 
作者简介:
中科院物理所Science:单层石墨烯折纸术!
高鸿钧 
高鸿钧,中科院院士,中科院物理研究所研究员,博士生导师,副所长。国家973计划咨询专家组成员,国际真空科学、技术与应用联合会(IUVSTA)纳米科学委员会主席,美国Appl. Phys. Lett.杂志副主编。主要研究方向:未来信息科学中的基本物理问题;纳米量子结构及其操控;有机功能分子及其复合纳米体系的组装;扫描隧道显微术在量子结构构造中的应用;石墨烯材料、物理与器件。

过去的主要工作及获得的成果:
在纳米体系的构造、结构表征与物性研究中,高鸿钧及其研究团队做出了一系列在国际上有影响力的工作。(1) 在超高密度信息存储材料与特性的研究方面实现了单个分子尺度上的超高密度信息存储。该项研究从1996年始至今一直持续居国际前沿地位,相关工作在2000年被美国物理学会选为Phys. Rev. Focus和Science News的研究亮点, 称其为“奔向下一代的CD (Toward the next generation CD);其后NatureMaterials和 Nature Nanotechnology相继亮点报道了进一步的稳定的、重复的、超高密度信息存储的工作,“在国际上首次在单个Rotaxane类分子水平上实现的稳定的超高密度信息存储”。

(2) 在STM成像机制方面,通过改进STM针尖,在国际上首次用STM同时清晰地分辨出Si(111)7×7表面单胞中的所有原子,显示了自STM发明20年以来最高分辨的Si(111)7×7表面的STM图像,理论计算揭示了通过对STM针尖的修饰改进,可以获得表面纳米结构中更加精细的电子结构信息。
(3) 在不同金属表面成功制备了高度有序的、连续的、单晶石墨烯(graphene)薄膜;观测到石墨烯的量子特性,研究了石墨烯的输运性质,并利用这种单层石墨烯作为模板控制原子和分子量子结构。石墨烯方面的研究成果2009年被Nature Nanotechnology等作为研究亮点报道。
中科院物理所Science:单层石墨烯折纸术!
杜世萱
杜世萱,中科院物理所研究员,博士生导师。主要从事计算凝聚态物理方面的研究。通过计算和模拟等手段,利用自行搭建的计算机群以及大规模并行计算机,开展功能分子在金属、半导体等表面的组装结构、生长机制、分子-基底相互作用,以及单分子物性等方面的研究,探索低维纳米体系的物理规律,预测材料的结构和物理性质,以及结构与物性之间的关联,为新型低维纳米材料的开发和应用、结构与物性的调控等提供科学的依据。1. 低维纳米结构在金属单晶表面的自组装机制、催化特性以及电、磁、光学特性的第一性原理计算研究;2. 金属有机材料-石墨烯复合体系的表面及界面电子结构的第一性原理计算研究;3. 金属/graphene表面单分子的量子效应和表面吸附/催化研究。
 
过去的主要工作及获得的成果:
1、功能纳米结构在金属表面选择性组装机制及物性。
2、Rotaxane类分子的结构与电导转变机制及其在超高密度信息存储中的应用。
3、具有固定偏心轴的单分子马达转动机制的研究。
4、基于第一性原理计算,成功解释了单分子自旋态量子调控的机制。
5、通过第一性原理计算研究金属表面Graphene单层膜结构与物性,以及graphene/金属表面分子自组装机制。
6、与合作者共同提出了一种研究复杂分子表面动态系统的新方法:第一性原理静态计算与时间分辨的隧穿电流谱(I-t)相结合,获取表面动态过程中复杂分子的准确构型和能态分布,该研究结果对表面动态系统的研究提出了一种新的研究思路。
 
参考文献:
HuiChen et al. Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures.Science 2019, 365, 1036-1040.
https://science.sciencemag.org/content/365/6457/1036
本文来自纳米人,本文观点不代表利特纳米立场,转载请联系原作者。

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