單層石墨烯一維褶皺到扭轉(zhuǎn)角可控的多層石墨烯的轉(zhuǎn)變機(jī)理

近年來(lái)，轉(zhuǎn)角石墨烯受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。轉(zhuǎn)角石墨烯所具有的大周期莫爾晶格（Moiré pattern）及其所帶來(lái)的能帶折疊效應(yīng)可以誘導(dǎo)出豐富、新奇的電子結(jié)構(gòu)。尤其是在一些特殊的小角度上，電子結(jié)構(gòu)中所出現(xiàn)的平帶會(huì)衍生出很多不尋常的現(xiàn)象，如超導(dǎo)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、自發(fā)鐵磁性等。

目前絕大多數(shù)研究采用機(jī)械剝離和逐層轉(zhuǎn)移的物理方法對(duì)轉(zhuǎn)角石墨烯樣品進(jìn)行制備，然而，該方法存在條件苛刻、產(chǎn)出率低、界面污染等一系列問(wèn)題。為發(fā)展更加高效的制備技術(shù)，研究者們通過(guò)對(duì)化學(xué)氣相沉積法中襯底的設(shè)計(jì)，陸續(xù)突破了幾種類(lèi)型的轉(zhuǎn)角石墨烯的規(guī)模化制備難題。然而在對(duì)多層石墨烯的轉(zhuǎn)角周期的可控制備方面，并沒(méi)有比較普適的解決辦法。

近日，來(lái)自深圳理工大學(xué)（籌）、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、上海科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國(guó)人民大學(xué)和德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究者們尋找到了一種石墨烯的折紙方法，可以實(shí)現(xiàn)高層間周期的轉(zhuǎn)角石墨烯的可控制備。作者們發(fā)現(xiàn)，鉑金表面生長(zhǎng)的石墨烯會(huì)形成一定的褶皺，褶皺長(zhǎng)大后向兩旁倒下，并在一些位置撕裂形成一個(gè)四重的螺旋位錯(cuò)中心。褶皺倒下時(shí)會(huì)折疊其一側(cè)的石墨烯，帶來(lái)與褶皺的“手性”角（也就是褶皺的方向與石墨烯晶向的夾角）具有兩倍關(guān)系的單層轉(zhuǎn)角。作者們稱(chēng)之為“一維手性到二維轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)化關(guān)系”，并利用折紙模型對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了形象的演示。

圖1：石墨烯折紙現(xiàn)象的記錄與演示，其中(a-d)原位ESEM實(shí)驗(yàn)所記錄的褶皺形成、倒下和再生長(zhǎng)的過(guò)程；（e-h）相應(yīng)過(guò)程的示意圖；（i-l）利用折紙模型演示褶皺的形成、倒下和再生長(zhǎng)。

圖2：螺旋位錯(cuò)附近的再生長(zhǎng)過(guò)程，其中(a-d)原位SEM實(shí)驗(yàn)所記錄的多個(gè)反向螺旋位錯(cuò)附近的再生長(zhǎng)過(guò)程；（e-h）動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛對(duì)該過(guò)程的模擬演示；（i）原子尺度分辨率STM所表征的石墨烯褶皺“手性”角；（j-l）利用折紙模型演示褶皺倒下時(shí)形成的螺旋位錯(cuò)及下層石墨烯出現(xiàn)的轉(zhuǎn)角。（m-t）螺旋位錯(cuò)再生長(zhǎng)所帶來(lái)的四層周期轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)示意圖。

作者們進(jìn)一步研究了所形成的螺旋位錯(cuò)再生長(zhǎng)帶來(lái)的新奇現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)各層石墨烯會(huì)隨著再生長(zhǎng)形成具有周期性的四層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，其中第1、3層與原始石墨烯的晶向相同，而2、4層的晶向由褶皺手性角所決定。作者們因此提出了一種新的周期轉(zhuǎn)角多層石墨烯的制備方法：通過(guò)控制石墨烯褶皺形成的方向，制備具有特殊層間轉(zhuǎn)角周期的多層石墨烯。該方法也可用于多種可以形成褶皺的其他二維材料。

圖3：石墨烯螺旋的再生長(zhǎng)和合并，其中（a-f）原位ESEM實(shí)驗(yàn)所記錄的褶皺出現(xiàn)到最終生長(zhǎng)成多層轉(zhuǎn)角石墨烯的全過(guò)程；（g）TEM表征下的多層轉(zhuǎn)角石墨烯；（h）原子分辨率的多層轉(zhuǎn)角石墨烯表征圖；(i-k)）動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛對(duì)該過(guò)程的模擬。

圖4：多層螺旋石墨烯和多層堆垛石墨輸運(yùn)性質(zhì)的區(qū)別，（a）原子力顯微鏡觀察到的螺旋位錯(cuò)中心；（b-d）輸運(yùn)性質(zhì)檢測(cè)時(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置；（e-g）多層螺旋石墨烯和多層堆垛石墨的電阻和磁阻隨溫度變化的關(guān)系。

相關(guān)研究成果以“通過(guò)石墨烯螺旋的一維到二維的生長(zhǎng)將手性轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)角”（Conversion of Chirality to Twisting via 1D-to-2D Growth of Graphene Spirals）為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Nature Materials上。

深理工、深圳先進(jìn)院丁峰、上?？萍即髮W(xué)Zhu-Jun Wang、中國(guó)人民大學(xué)季威和德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)Marc-Georg Willinger為本文的通訊作者，上?？萍即髮W(xué)的Zhu-Jun Wang、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的孔瀟、中國(guó)科學(xué)院物理所的黃元與上?？萍即髮W(xué)的李軍為文章的第一作者。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院“率先行動(dòng)”計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

審核編輯：劉清