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石墨烯的精細結構研究取得進展

2019-10-31

    近日,張江實驗室上海光源科學中心胡鈞研究員、張益研究員與上海大學環境與化學工程學院的石國升研究員合作,發現了石墨烯的非常規原子結構,相關研究結果以 "Unconventional Atomic Structure of Graphene Sheets on solid Substrates" 為題發表在《Small》 封面上 (Small 2019, 15, 1902637). 同時該研究成果被wiley 旗下 《Advanced Materials》 雜志列為“Hot Topic” (carbon\ graphite\ graphene) 文章之一(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)1521-4095.hottopic-carbon). 

    無支撐石墨烯(free-standing graphene)的碳原子以sp2 雜化軌道組成周期為2.5 ? 的六元環平面蜂窩形結構,通常此結構被認為是石墨烯唯一的原子級周期結構并且決定了石墨烯的物理、化學等性質。近日,該團隊報道了一個全新的發現:利用高分辨原子力顯微鏡 (AFM) 和掃描隧道顯微鏡 (STM) 觀察到機械剝離的石墨烯在非同源基底上可以自發地形成周期為5 ?的斜方晶結構,這種新的原子級結構可以通過人為地施加電場控制產生。重要的是可以通過調控成像力的大小來實現石墨烯5 ?斜方晶結構和本征的2.5 ?六元環結構之間的連續可逆性轉換。第一性原理計算表明,這種非常規的結構可以歸因于石墨烯表面和基底之間的偶極子,該偶極子產生界面電場并引起石墨烯表面上的碳原子重新排列。作為應用,實驗結果表明該斜方晶格可以控制淀粉樣蛋白的外延自組裝行為。 

    還需指出的是,在目前的研究中,固體底上石墨烯結構中如此明顯的原子級變化通常被忽略,然而這對于全面地理解石墨烯獨特的電學,機械學和熱學性質非常重要。該發現揭示了新的石墨烯原子結構,這對于獲得以石墨烯為基礎的電子設備的優異性能是非常關鍵的,并且為操縱石墨烯晶格開辟了新途徑。 

    文章的第一作者為張江實驗室上海光源科學中心張金金博士,共同第一作者為上海應用物理研究所楊一舟博士。該工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院的資助。


來源:上海高等研究院

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