近年來(lái)，能夠生產(chǎn)無(wú)缺陷單層石墨烯和其他2D材料的生長(zhǎng)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)石墨烯基納米電子學(xué)的關(guān)鍵要求和仍然存在的瓶頸在于能夠控制合成2D結(jié)構(gòu)的電子性質(zhì)，以及在相關(guān)制造規(guī)模下以可重復(fù)和一致的方式生產(chǎn)它們。2D范德華材料的性質(zhì)可以通過(guò)納米結(jié)構(gòu)或控制層堆垛來(lái)調(diào)節(jié)，其中層間雜化誘導(dǎo)奇異的電子態(tài)和輸運(yùn)現(xiàn)象。

基于此，上海科技大學(xué)王竹君教授、德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)Marc-Georg Willinger、中科院深圳先進(jìn)院丁峰教授和中國(guó)人民大學(xué)季威教授課題組描述了一種可行的方法和潛在的機(jī)制來(lái)輔助自組裝的轉(zhuǎn)角石墨烯。這個(gè)過(guò)程可以在標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)氣相沉積（CVD）生長(zhǎng)中實(shí)現(xiàn)，最好的描述是用紙的折紙（origami）和剪紙（kirigami）來(lái)類(lèi)比。它涉及在單層石墨烯中可控地誘導(dǎo)褶皺形成，以及隨后的褶皺折疊、撕裂和再生長(zhǎng)。該過(guò)程的本質(zhì)是形成交織的石墨烯螺旋，并將1D褶皺的手性角轉(zhuǎn)換為3D超晶格的2D轉(zhuǎn)角。該方法可以擴(kuò)展到其他可折疊的2D材料中，并有助于生產(chǎn)小型電子元件，包括電容器、電阻器、電感器和超導(dǎo)體。

課題組將此研究成果以"Conversion of chirality to twisting via sequential one-dimensional and two-dimensional growth of graphene spirals"為題發(fā)布在《Nature Materials》上。

圖文導(dǎo)讀

圖1石墨烯折紙-剪紙過(guò)程的觀察和說(shuō)明

圖2撕裂褶皺處螺旋生長(zhǎng)的初始化

圖3石墨烯螺旋(GSs)的生長(zhǎng)和合并

圖4 石墨烯螺旋(GS)與高度有序熱解石墨(HOPG)的輸運(yùn)性能比較

圖5管狀邊緣結(jié)構(gòu)

結(jié)論與展望

研究團(tuán)隊(duì)在此報(bào)告了一種石墨烯折紙方法（起皺、折疊、撕裂和裂紋、起皺、折疊、撕裂和開(kāi)裂），從而實(shí)現(xiàn)了具有可控堆疊順序的石墨烯多層的螺旋生長(zhǎng)。源自相鄰 GS 的石墨烯層的凝聚產(chǎn)生了 Frank-van der Merwe 生長(zhǎng)行為。這一過(guò)程將一維石墨烯皺紋的手性轉(zhuǎn)化為二維石墨烯堆疊層的扭曲角。通過(guò)實(shí)時(shí)成像觀察了動(dòng)力學(xué)路徑，并通過(guò)基于理論的螺旋演變模擬驗(yàn)證了抽象的手性轉(zhuǎn)換機(jī)制。

有了這樣的基本認(rèn)識(shí)，研究團(tuán)隊(duì)就實(shí)現(xiàn)了具有固定扭轉(zhuǎn)角的交織石墨烯的生長(zhǎng)。因此，通過(guò)改變手性石墨烯皺紋，可以調(diào)整相鄰層之間錯(cuò)位的扭曲堆疊石墨烯層，并因其非常規(guī)超導(dǎo)性而備受關(guān)注。此外，這項(xiàng)工作對(duì)未來(lái)納米電感器件的開(kāi)發(fā)具有深遠(yuǎn)影響，并為可擴(kuò)展地制造具有確定扭曲角度的多層石墨烯邁出了一步。根據(jù)這項(xiàng)工作所報(bào)告的機(jī)理，利用鉑的取向催化特性，種子生長(zhǎng)和基底工程可用于定制形成具有預(yù)定扭曲角度的層堆。

未來(lái)，利用 SPM 作為電子顯微鏡裝置中的工具，可以直接在真實(shí)空間中實(shí)時(shí)跟蹤石墨烯的機(jī)械操作，并進(jìn)行精確的現(xiàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)。有了這樣的裝置，就能在 CVD 條件下通過(guò) SPM 針尖操作精確控制折紙-千紙鶴過(guò)程，并相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)預(yù)先確定的螺旋成核點(diǎn)密度和設(shè)計(jì)的扭曲角度。總之，這種折紙-剪紙方法實(shí)現(xiàn)了一維到二維的角度轉(zhuǎn)換，使我們能夠在多層石墨烯中設(shè)計(jì)扭曲角度，原則上適用于所有可折疊的二維材料。因此，我們的研究為將一維皺紋的手性轉(zhuǎn)換為垂直堆疊的三維超晶格的扭曲角提供了一種潛在的方法。

審核編輯：劉清