让人感叹的“石墨烯”

 近日，中国科学院高鸿钧团队传出喜讯：实现了在石墨烯上高精度的结构制作，而且精度已经达到了原子级别。

       可想而知，这样卓越的研究成果，不仅是有团队的努力，方法的巧妙，更有紧凑的流程“保驾护航”。        

课题组的艰苦卓绝

据介绍，高鸿钧课题组长期致力于石墨烯的制备、物性研究及潜在应用，是国际上最早的在金属衬底上外延生长高质量、大面积石墨烯的课题组之一。

方法的巧妙绝伦

        在Science 杂志上（此项成果以论文的形式发表于 9 月 6 日），高鸿钧院士对DeepTech 表示，在本次工作中：

   1.团队利用课题组长期积累的扫描隧道显微学原子操纵技术，实现了原子级精准的石墨烯可控折叠，目前也在尝试六方氮化硼等其他二维材料的可控折叠。

  2.利用原子级精准的可控折叠技术，构筑更为复杂的二维纳米结构。

         采用本文章的第一作者中科院的陈辉、张现利和张余洋在文中所用的词汇“Origami”——折纸艺术来解释，他们只是用STM（扫描隧道显微镜）将石墨烯折叠了一下。

         没错，他们登上Science 的文章，仅仅是将一小块石墨烯折叠了一下，而得出了非常奇妙的现象。 

         PS:这种反差萌其实和石墨烯的特色发迹史一脉相承。石墨烯于 2004年由英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）发现。当时获取石墨烯的方法名称很响亮：“机械剥离法”，也就是从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。 

而他们也因为对于石墨烯研究的卓越贡献，于2010 年被授予诺贝尔物理学奖，那年的诺奖也被称为是“用胶带撕出来”的(由此只能说，我们身边的科学有很多是源于生活，而高于生活的)

仪器的先进精密

      为了实现精细操作，研究团队选择了可能是当今世上最精贵的仪器——“STM（扫描隧道显微镜）”     进行操作，这种基于“量子隧穿效应”的仪器也是当今世上最精密的测试仪器之一，能够通过仪器中原子尺寸级别的探针与样品之间的相互作用来实现“原子操纵（Atomic Manipulation）”，即对单原子进行移动，并以此制作纳米结构。

流程的有序紧凑

       确定选择了石墨烯，选择了利器STM后，研究人员首先使用 STM 将一小块石墨烯（原文是 graphene island，即石墨烯小岛），进行折叠和展开操作，其方向可以是随机的，也可以是精确控制沿着指定方向进行折叠。(这一次的折叠，是当今世界上最小的一次对石墨烯的折叠，并且不仅能折叠，还能复位，如果没有十分精确的控制是不可能完成的。)

        高鸿钧解释道：“单纯的折叠和复原其实比较快，就是在秒的量级。但是为了实现原子级精度的可控折叠，需要首先在高定向裂解石墨上获得合适尺寸的石墨烯纳米片，我们目前使用的是氢离子轰击技术，一般需要 10 个循环的氢离子轰击，这个过程需要 10 个小时左右。一旦有了我们设计尺寸的石墨烯纳米片，折叠和复原就可以很快。”                                                 

 接着，研究团队在折叠处发现了具有特殊性质的结构——“褶子，他们发现这个结构和碳纳米管结构很类似，都是石墨烯卷起来一样的，而经电学测试表明，这样的结构具有一维材料的特性，电子在这种结构上只能做一维的运动，即向前或向后。

         但是，该结构与传统碳纳米管相比也略有不同，它既有碳纳米管的一些特性，也具有石墨烯的特性。

         于是高鸿钧团队开始考虑如何利用这种结构制作器件，根据石墨烯具有的“双晶”特性，他们首先尝试了“异质结”器件（一个器件由两种不同性质材料组成。 所谓“双晶”特性，就是一层石墨烯上可能会出现两种排列方向不同的蜂窝结构，即使都是六边形，就好像是用两张饼拼成了一张饼一样，换一种说法，我们也可以认为是在一层双晶石墨烯上能存在两种不同属性的石墨烯，也就是两种不同的材料。

  如果我们能够以一种可控的方式将这层双晶石墨烯以一定的角度折叠起来，那么在折叠的地方就能出现两种材料的界面，也就能形成异质结的结构

 总结来看，这样的研究成果不仅显示了研究团队对于纳米结构制作的高超技术，也再次将石墨烯这一纳米器件制作平台推到了科学研究的最前沿，对于可控制造特殊性质的纳米器件，例如量子器件，有重要研究意义。为他们骄傲，为我国自豪。

                                   （图文源自知乎，百度）