通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素华盛顿大学领导的研究小组发现，将石墨烯薄片以很小的扭曲角度堆叠在块状石墨上（上图），石墨烯-石墨界面（黄色）上的"奇异"特性就会渗入石墨本身。资料来源：埃利斯-汤普森多年来，科学家们一直在探索由单层原子组成的二维材料的潜力，以彻底改变计算、通信和能源等各个领域。在这些材料中，电子等亚原子粒子只能在二维空间运动，这导致了电子的异常行为和所谓的"奇异"特性。这些特性包括奇异的磁性、超导性和电子间的其他集体行为--所有这些都可能在计算、通信、能源和其他领域大有用武之地。传统上，研究人员认为这些奇异的二维特性只存在于单层薄片或短堆栈中，而这些材料的所谓"块体"版本则由于其复杂的三维原子结构而表现出不同的行为。与上述假设相反，华盛顿大学领导的研究小组于7月19日在《自然》杂志上发表的一项突破性研究表明，有可能赋予石墨这种日常铅笔中的大块三维材料以类似于其二维对应物石墨烯的特性。这一突破不仅出乎意料，研究小组还认为其方法可用于测试类似类型的块状材料是否也能具有类似二维的特性。如果是这样，二维薄片将不会是科学家们推动技术革命的唯一来源，块状三维材料可能同样有用。"将单层堆叠在单层上--或将两层堆叠在两层上--几年来一直是揭示二维材料新物理特性的重点。在这些实验方法中，出现了许多有趣的特性，"资深作者、华大物理学和材料科学与工程学助理教授马修-扬科维茨（MatthewYankowitz）说。"但是，如果不断增加层数会发生什么呢？最终，它必须停止，对吗？这就是直觉的暗示。但在这种情况下，直觉是错误的。在三维材料中混合二维特性是可能的。"由大阪大学和日本国立材料科学研究所的学者组成的研究小组采用了一种常用的方法来处理二维材料。他们以很小的扭曲角度将二维薄片堆叠在一起。研究人员将单层石墨烯置于薄的块状石墨晶体之上，并在两者之间引入了约1度的扭曲角。他们不仅在扭曲的界面上，而且在块状石墨内部发现了新颖的、意想不到的电学特性。Yankowitz同时也是华大清洁能源研究所和华大纳米工程系统研究所的教员，他解释说，扭曲角对于产生这些特性至关重要。二维薄片（如两片石墨烯）之间的扭曲角度会产生所谓的摩尔纹，从而改变电子等带电粒子的流动，诱导材料产生奇特的性质。在石墨和石墨烯的实验中，扭转角度也诱发了摩尔纹，产生了令人惊讶的结果。仅在石墨烯-石墨界面引入的扭曲改变了整个石墨材料的电特性。当施加磁场时，石墨晶体深处的电子表现出与扭曲界面类似的异常特性。从本质上讲，单个扭曲的石墨烯-石墨界面变得与块状石墨的其他部分密不可分地混合在一起。"虽然我们只是在石墨表面产生摩尔纹，但由此产生的特性却渗透到整个晶体中，"共同第一作者、华盛顿大学物理学博士后研究员达肯-沃特斯（DacenWaters）说。对于二维薄片来说，摩尔纹产生的特性可用于量子计算和其他应用。在三维材料中诱导类似的现象，将为研究不寻常和奇异的物质状态以及如何将它们带出实验室、带入我们的日常生活提供新的方法。共同第一作者、华盛顿大学物理学博士生埃利斯-汤普森（EllisThompson）说："整个晶体都呈现出这种二维状态。这是影响块体材料中电子行为的一种全新方式。"扬科维茨和他的团队认为，他们在石墨烯和块状石墨晶体之间产生扭转角的方法可以用来制造其姊妹材料的2D-3D混合体，包括二碲化钨和五碲化锆。这将开启一种新方法，利用单一二维界面重新设计传统块体材料的特性。Yankowitz说："这种方法可以成为研究具有混合二维和三维特性的材料中令人兴奋的新物理现象的一个真正丰富的乐园。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371903.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371903.htm

石墨烯的扭曲科学：探索奇异物质的新量子尺

石墨烯的扭曲科学：探索奇异物质的新量子尺插图描述了NIST团队在实验中使用的两层石墨烯（两个双层），用于研究摩尔纹量子材料的一些奇特性质。左侧插图是两个双层石墨烯部分的俯视图，显示了当一个双层石墨烯相对于另一个双层石墨烯扭转一个小角度时形成的摩尔纹。资料来源：B.Hayes/NIST根据扭曲角度的不同，这些被称为摩尔量子物质的材料可以突然产生自己的磁场，成为零电阻的超导体，或者相反，变成完美的绝缘体。约瑟夫-A-斯特里西奥（JosephA.Stroscio）和他在美国国家标准与技术研究院（NIST）的同事以及一个国际合作团队开发了一种"量子尺"，用于测量和探索这些扭曲材料的奇异特性。这项工作还可能带来一种新的、微型化的电阻标准，可以直接在工厂车间校准电子设备，而无需将它们送到异地的标准实验室。来自弗吉尼亚州费尔法克斯乔治梅森大学的物理学家费雷什特-加哈里（FereshteGhahari）是这项研究的合作者，他利用两层直径约为20微米的石墨烯（称为双层石墨烯），相对于另两层石墨烯进行扭曲，制造出了一个摩尔量子物质装置。加哈里利用NIST纳米科学与技术中心的纳米加工设备制造了这个装置。随后，NIST研究人员马鲁-斯洛特（MarlouSlot）和尤利娅-马克西门科（YuliaMaximenko）将这种扭曲的材料装置冷却到绝对零度以上的百分之一，从而减少了原子和电子的随机运动，提高了材料中电子相互作用的能力。达到超低温后，他们研究了改变强外部磁场强度时石墨烯层中电子的能级如何变化。测量和操纵电子的能级对于设计和制造半导体器件至关重要。这幅摩尔纹量子材料中一个点的放大图描绘了电子（右边的红点和蓝点）的阶梯状能级。阶梯的背景类似于图纸能量，表明测量到的能级可以作为一种量子尺来确定材料的电学和磁学特性。资料来源：NIST/B.海耶斯电子运动和能级为了测量能级，研究小组使用了斯特里西奥在NIST设计和制造的多功能扫描隧道显微镜。当研究人员在磁场中对石墨烯双层膜施加电压时，显微镜会记录从材料"隧穿"到显微镜探针尖端的电子所产生的微小电流。在磁场中，电子以圆形轨迹运动。通常，固体材料中电子的圆形轨道与外加磁场有着特殊的关系：由于电子的量子特性，每个圆形轨道所包围的面积乘以外加磁场，只能得到一组固定的离散值。为了保持固定的乘积，如果磁场减半，那么电子轨道所包围的面积就必须增加一倍。遵循这一规律的连续能级之间的能量差，就像尺子上的刻度线一样，可以用来测量材料的电子和磁性能。任何与这一模式的细微偏差都代表着一种新的量子标尺，可以反映出研究人员正在研究的特定量子摩尔纹材料的轨道磁特性。发现与影响事实上，当NIST的研究人员改变施加在摩尔纹石墨烯双层膜上的磁场时，他们发现了新量子标尺发挥作用的证据。电子圆形轨道所包围的面积乘以外加磁场不再等于一个固定值。相反，这两个数字的乘积发生了偏移，偏移量取决于双层石墨的磁化程度。这种偏差转化为电子能级的一组不同刻度线。这些发现有望为我们揭示局限在石墨烯扭曲薄片中的电子如何产生新的磁性带来新的启示。斯特里西奥说："利用新的量子标尺来研究圆形轨道如何随磁场变化，我们希望能揭示这些摩尔纹量子材料的微妙磁特性。"量子摩尔材料中的电子被一个形似鸡蛋盒的电势所困住；电子集中在鸡蛋盒的山谷（低能态）中。资料来源：S.Kelley/NIST在摩尔量子材料中，电子具有一系列可能的能量--高能和低能，形状就像鸡蛋盒--这是由材料的电场决定的。电子集中在纸盒的低能态或谷中。NIST理论物理学家保罗-哈尼（PaulHaney）说，双层石墨烯中的谷之间的间距很大，大于任何单层石墨烯或未扭曲的多层石墨烯中的原子间距，这也是研究小组发现的一些不寻常磁性的原因。研究人员，包括来自马里兰大学学院帕克分校和联合量子研究所（NIST与马里兰大学的合作研究机构）的同事，在《科学》杂志上介绍了他们的工作。未来前景与应用由于摩尔量子物质的特性可以通过选择特定的扭转角度和原子薄层的数量来实现，因此新的测量结果有望让人们更深入地了解科学家如何定制和优化量子材料的磁性和电子特性，以满足微电子学和相关领域的大量应用需求。例如，人们已经知道超薄超导体是非常灵敏的单光子探测器，而量子摩尔超导体则是最薄的超导体之一。NIST团队还对另一种应用感兴趣：在适当的条件下，摩尔量子物质可以提供一种新的、更易于使用的电阻标准。目前的标准是基于一种材料在二维层中的电子受到强磁场作用时产生的离散电阻值。这种现象被称为量子霍尔效应，源于上文讨论的电子在圆形轨道上的量子化能级。离散电阻值可用于校准各种电气设备中的电阻。不过，由于需要强大的磁场，校准只能在NIST等计量设施中进行。斯特里西奥说，如果研究人员能操纵量子摩尔物质，使其在没有外加磁场的情况下也能产生净磁化，那么就有可能利用它来创建一种新的便携式最精确电阻标准，即反常量子霍尔电阻标准。电子设备的校准可在制造现场进行，从而节省数百万美元。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388617.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388617.htm

扭曲到1.08度"魔角"的超导石墨烯中的量子几何魔法

扭曲到1.08度"魔角"的超导石墨烯中的量子几何魔法石墨烯是单层的碳原子，2018年，麻省理工学院的科学家们发现，在适当的条件下，如果将一块石墨烯铺在另一块石墨烯上，并将这两层石墨烯扭曲到一个特定的角度--1.08度--形成扭曲的双层石墨烯，石墨烯就可以成为超导体。自那以后，科学家们一直在研究这种扭曲的双层石墨烯，并试图弄清楚这个"神奇的角度"是如何工作的，俄亥俄州立大学物理学教授、《自然》杂志论文的共同作者MarcBockrath说。"传统的超导理论在这种情况下不起作用，"Bockrath说。"我们做了一系列的实验，以了解这种材料成为超导体的根源。"在传统金属中，高速电子负责导电性。但是扭曲的双层石墨烯有一种被称为"平带"的电子结构，其中电子的移动速度非常慢--事实上，如果角度正好是神奇的1，其速度接近零。研究报告的共同作者、俄亥俄州立大学物理学教授JeanieLau说，根据传统的超导理论，移动速度如此缓慢的电子不应该能够导电。论文的第一作者、Lau研究小组的一名学生HaidongTian以极高的精度获得了一个非常接近"魔角"的装置，按照通常的凝聚态物理学标准，电子几乎被阻止。但该样品还是显示出了超导性。"这是一个悖论：运动如此缓慢的电子怎么可能导电？更不用说超导了。"Lau说。在他们的实验中，研究小组证明了电子的缓慢速度，并对电子运动进行了比以前更精确的测量。而且他们还发现了使这种石墨烯材料如此特别的第一个线索。"我们不能用电子的速度来解释扭曲的双层石墨烯是如何工作的，"Bockrath说。"相反，我们不得不使用量子几何。"就像所有的量子一样，量子几何是复杂的，不是直观的。但这项研究的结果与以下事实有关：电子不仅是一个粒子，也是一个波--因此有波函数。"平带中的量子波函数的几何形状，加上电子之间的相互作用，导致电流在双层石墨烯中流动而不耗散，"共同作者、俄亥俄州立大学物理学教授MohitRanderia说。"我们发现，传统的方程式可以解释我们发现的超导信号的10%。我们的实验测量表明，量子几何是使其成为超导体的90%，"Lau说。这种材料的超导效应只能在极低温度的实验中发现。最终的目标是能够了解导致高温超导的因素，这在现实世界的应用中可能会很有用，例如电力传输和通信。"这将对社会产生巨大的影响，这是一个漫长的过程，但这项研究肯定会使我们在理解它如何发生方面取得进展。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1347799.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1347799.htm

科学家在五层石墨烯中发现奇异的新电子态

科学家在五层石墨烯中发现奇异的新电子态五层石墨烯堆栈中的电子呈现出奇特的多铁性新状态的艺术家印象图石墨烯本质上只是一块超薄的普通石墨薄片--事实上，它薄到只有一个原子厚。但是，尽管石墨烯的起点如此卑微，它却具有超强、超导、柔韧等特性，并有望彻底改变从电子产品、服装到航空航天工程等一切领域。当你开始堆叠石墨烯薄片，甚至将它们扭曲到特定角度时，其他非凡的能力就会显现出来，比如磁性或超强的透水性。在新的研究中，麻省理工学院的研究小组又发现了另一种材料--"多铁性行为"，这在材料界是非常罕见的。铁性材料是指其粒子具有协调行为的材料--例如，磁铁的所有电子即使在没有外部磁场的情况下也会将自旋指向同一方向。多铁性材料是指显示出不止一种协调行为的材料，例如，磁性指向一个方向，而电荷指向另一个方向。研究人员计算出，在非常特殊的情况下，石墨烯应该成为多铁性材料。从理论上讲，只有当五层石墨烯叠放在一起，每层略有偏移，使三维整体形成菱形时，才会出现多铁性。在五层石墨烯中，电子恰好处于晶格环境中，它们的移动速度非常缓慢，因此可以有效地与其他电子相互作用。这时电子相关效应开始占主导地位，它们可以开始协调成某些优先的铁氧体秩序。接下来，研究小组开始在实践中证实这一理论，他们从石墨块上刮下石墨烯薄片，并用强力显微镜进行检查，以找到一些自然具有理想菱形形状的石墨烯。然后，他们将发现的几种石墨烯分离出来，在略高于绝对零度的温度下进行研究，在这种温度下，其他效应会减弱，因此只有他们正在寻找的石墨烯才能发光。果然，研究小组发现，这些特殊薄片中的电子对一个方向的电场和另一个方向的磁场反应一致，证实了多铁行为。但即使是这些单独的行为也是不寻常的--磁性产生于电子轨道运动的协调，而不是它们的自旋。电子行为产生于电子优先进入一个"谷"（或最低能量状态），而不是平均进入两个谷。因此，研究小组将这种奇特的电子状态称为"铁谷性"。"我们知道在这种结构中会发生一些有趣的事情，但我们不知道具体是什么，直到我们进行了测试，"该研究的共同第一作者卢正光说。"这是我们第一次看到铁谷电子学，也是我们第一次看到铁谷电子学与非常规铁磁体共存"。研究人员说，这种奇特的行为最终可以被利用来有效地将芯片的数据存储容量提高一倍。这项研究发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390923.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390923.htm

突破性人体研究证实"神奇材料"石墨烯是安全的

突破性人体研究证实"神奇材料"石墨烯是安全的临床试验透视首次人体受控接触临床试验使用的是超纯氧化石墨烯薄膜--一种与水兼容的材料。研究人员表示，还需要进一步研究这种氧化石墨烯材料或其他形式的石墨烯是否会产生不同的效果。研究小组还希望确定，长时间接触这种比头发丝还要细几千倍的材料是否会带来额外的健康风险。科学家于2004年首次分离出石墨烯，并将其誉为"神奇"材料。可能的应用领域包括电子产品、手机屏幕、服装、涂料和水净化。全世界都在积极探索石墨烯，以帮助对癌症和其他健康问题进行有针对性的治疗，并以植入式设备和传感器的形式使用石墨烯。不过，在用于医疗之前，所有纳米材料都需要经过测试，以确定是否存在潜在的不良影响。研究方法和结果爱丁堡大学和曼彻斯特大学的研究人员招募了14名志愿者，在严格控制的接触和临床监测条件下参与研究。志愿者们在从荷兰国家公共卫生研究所带到爱丁堡的一个专门设计的移动暴露室中骑自行车时，通过面罩呼吸了这种物质两个小时。在暴露前和每隔两小时测量一次对肺功能、血压、凝血和血液中炎症的影响。几周后，志愿者被要求返回诊所，重复接触不同大小的氧化石墨烯或清洁空气，以进行比较。结果发现，石墨烯对肺功能、血压或其他大多数生物参数没有不良影响。不过，研究人员注意到，吸入这种材料可能会影响血液凝结的方式，但他们强调这种影响非常小。结论和未来方向爱丁堡大学心血管科学中心的马克-米勒（MarkMiller）博士说："石墨烯等纳米材料前景广阔，但我们必须确保它们是以安全的方式制造的，然后才能更广泛地应用于我们的生活。能够在人体志愿者身上探索这种独特材料的安全性，是我们在了解石墨烯如何影响人体方面迈出的一大步。通过精心设计，我们可以安全地充分利用纳米技术"。曼彻斯特大学和巴塞罗那加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所（ICN2）的科斯塔斯-科斯塔雷洛斯（KostasKostarelos）教授说："这是有史以来第一项涉及健康人群的对照研究，它证明了非常纯净的氧化石墨烯（具有特定的尺寸分布和表面特征）可以进一步开发，从而最大限度地降低对人类健康的危害。""我们花了十多年的时间，从材料和生物科学的角度，同时也从临床能力的角度，通过召集该领域的一些世界顶尖专家，安全地开展了这项受控研究"。英国心脏基金会首席科学与医学官布莱恩-威廉姆斯（BryanWilliams）教授说："这种石墨烯可以安全地开发出来，而且短期副作用极小，这一发现为开发新设备、创新治疗方法和监测技术打开了大门。我们期待在更长的时间内看到更大规模的研究，以更好地了解我们如何安全地使用石墨烯等纳米材料，在向患者提供救命药物方面取得飞跃。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418551.htm

通过堆叠石墨烯层实现新形式的奇特超导性

通过堆叠石墨烯层实现新形式的奇特超导性想象一下，一张只有一层原子厚的材料--不到百万分之一毫米。虽然这听起来很玄乎，但这种材料是存在的：它被称为石墨烯，是由碳原子以蜂窝状排列而成的。2004年首次合成，然后很快被誉为具有神奇特性的物质，科学家们仍在努力了解它。堆叠的石墨烯层的模拟结果。该图像描绘了所谓的贝里曲率，证实了超导性的拓扑特性。奥地利科学技术研究所（ISTA）的博士后AregGhazaryan和MaksymSerbyn教授与以色列魏茨曼科学研究所的同事TobiasHolder博士和ErezBerg教授多年来一直在研究石墨烯，现在他们在3月2日发表在《物理评论B》杂志上的一篇研究论文中发表了对其超导特性的最新发现。ABCA堆叠中的四层石墨烯。二维蜂窝状格子中的四片碳原子相互堆叠，每片都相对于下面的那片向左移位。顶层的移动幅度很大，其结构再次与底层对齐。Ghazaryan解释说："多层石墨烯有许多有前途的品质，从广泛的可调谐带状结构和特殊的光学特性到新形式的超导性--意味着能够无阻力地传导电流。在我们的理论模型中，我们正在继续我们在多层石墨烯方面的工作，并且正在研究不同的石墨烯片相互之间的各种可能安排。在那里，我们发现了创造所谓拓扑超导性的新可能性。"在他们的研究中，研究人员在计算机上模拟了当你以某些方式将几层石墨烯片叠加在一起时会发生什么。"这就像一场大型的选美比赛，在不同配置的堆叠的石墨烯片之间找到最好的一个，"Serbyn补充说。"在其中，我们正在研究在多层石墨烯中移动的电子是如何表现的。根据不同层的石墨烯如何相互移动以及有多少层，蜂窝状晶格中的碳原子的带正电核为它们周围的电子创造了不同的环境。带负电的电子被核所吸引，并被彼此排斥。我们开始研究现实的模型，只考虑一个电子与石墨烯的原子核相互作用。一旦找到一个有希望的方法，我们就增加了许多电子之间更复杂的相互作用。通过这种方法，研究人员证实了拓扑超导性的奇特形式的发生。研究人员MaksymSerbyn和AregGhazaryan这种理论研究为未来的实验奠定了基础，这些实验将在实验室中创建模拟的石墨烯系统，观察它们是否真的像预测的那样表现。Ghazaryan说："我们的工作有助于实验者设计新的设置，而不必尝试石墨烯层的每一种配置。现在，理论研究将继续进行，而实验将给我们提供来自大自然的反馈。"虽然石墨烯已经慢慢在研究和技术中找到了应用--例如作为碳纳米管--但其作为电力拓扑超导体的潜力才刚刚开始被了解。Serbyn补充说："我们希望有一天能够在量子力学层面上完全描述这种材料，这既是为了科学探究物质基本特性的内在价值，也是为了石墨烯的许多潜在应用。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348503.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348503.htm