中國科學院物理研究所高鴻鈞院士。(中新社資料照片)
中國科學院物理研究所高鴻鈞院士。(中新社資料照片)
原子級精準石墨烯摺紙術構築3D石墨烯奈米結構示意圖。(取自中國科學院官網)
原子級精準石墨烯摺紙術構築3D石墨烯奈米結構示意圖。(取自中國科學院官網)
(設計畫面)
(設計畫面)

中國科學院物理研究所高鴻鈞院士領導的研究團隊,最近在國際上首次實現了原子級精準控制的石墨烯奈米結構摺疊,這是目前世界上最小尺寸的、可按需定製的石墨烯「摺紙」。這一重要研究成果,獲權威國際學術期刊《科學》雜誌發表。

該院6日發布消息說,探索新型低維碳奈米材料及其新奇物性,一直是當今科技領域的前沿科學問題之一,而二維(2D)的石墨烯晶格結構被認為是其他眾多碳奈米結構的母體材料。

堆疊角度可精確調整

通過對石墨烯的彎曲摺疊,可以構築出具有新奇電子學特性的奈米結構,但在單原子尺度精確地摺疊石墨烯,特別是根據特殊需要沿特定方向對石墨烯進行摺疊,具有極大挑戰性。

研究團隊的陳輝博士等人通過科研攻關,在世界上首次實現了對石墨烯奈米結構的原子級精準的可控摺疊,構築出一種新型的準3D石墨烯奈米結構,它由2D旋轉堆垛雙層石墨烯奈米結構與1D的類碳奈米管結構組成。

陳輝等人發表的論文顯示,此次研究不僅實現了簡單的摺疊,還可以在摺疊後將石墨烯成功展開,並能讓同一個石墨烯結構沿任意方向反覆摺疊,還創造出堆疊角度精確可調的特定雙層石墨烯奈米結構。

研究團隊還發現,通過石墨烯「奈米摺紙術」得到的準1D奈米管異質結,具有不同的能帶排列方式。

可構築2D原子晶體材料

高鴻鈞介紹,通過摺疊所獲取的新材料可能獲得摺疊前所沒有的超導性或磁性,這樣一些特性的變化,對未來的應用會有重要意義。

石墨烯「摺紙」這項成果,還可以用於構築其他新型2D原子晶體材料的摺疊奈米結構,同時也對構築新型量子材料與量子器件(機器)及其應用具有重要的科學意義。

研究團隊通過掃描探針操控技術,具體實現了5方面突破:一是石墨烯奈米結構的原子級精準摺疊與解摺疊;二是同一個石墨烯結構沿任意方向的反覆摺疊;三是堆疊角度精確可調的旋轉堆垛的雙層石墨烯奈米結構;四是準1D碳奈米管奈米結構的構築;五是雙晶石墨烯奈米結構的可控摺疊及其異質結的構築。

#實現