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

研究人员实现用飞秒激光进行石墨烯纳米加工

研究人员实现用飞秒激光进行石墨烯纳米加工石墨烯于2004年被发现，它已经彻底改变了各种科学领域。它拥有高电子迁移率、机械强度和热导率等显著特性。人们投入了大量的时间和精力来探索它作为下一代半导体材料的潜力，催生了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器等一系列有用部件。但是，为了使这些设备进入实际应用，关键是要有高效的加工技术，可以在微米和纳米尺度上构造石墨烯薄膜。通常，微/纳米尺度的材料加工和设备制造采用纳米光刻技术和聚焦离子束方法。然而，由于需要大规模的设备、冗长的制造时间和复杂的操作，这些都给实验室研究人员带来了长期的挑战。早在一月份，东北大学的研究人员创造了一种技术，可以对厚度为5至50纳米的氮化硅薄片进行微/纳米制造。该方法采用了飞秒激光，它发射出极短的快速光脉冲。事实证明，它能够在没有真空环境的情况下快速、方便地加工薄型材料。(a)激光加工系统的示意图。(b)石墨烯薄膜上32个激光点的形成。(c)经过多点钻孔的石墨烯薄膜的图像。通过将这种方法应用于石墨烯的超薄原子层，同一小组现在已经成功地进行了多点钻孔而不损坏石墨烯薄膜。他们的突破性细节于2023年5月16日在《纳米通讯》杂志上报道。东北大学先进材料多学科研究所的助理教授、该论文的共同作者YuukiUesugi说："通过对输入能量和激光射击次数的适当控制，我们能够执行精确的加工并创造出直径从70纳米--远小于520纳米的激光波长--到超过1毫米的孔。"通过扫描透射电子显微镜观察到的激光加工的石墨烯薄膜的图像。黑色区域表示打孔。白色物体表示表面污染物。资料来源：YuukiUesugi等人。在通过高性能电子显微镜仔细检查用低能量激光脉冲照射的区域时，上杉和他的同事发现，石墨烯上的污染物也已被清除。进一步的放大观察发现了直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷，在石墨烯的晶体结构中缺少几个碳原子。石墨烯中的原子缺陷既是有害的也是有利的，这取决于应用。虽然缺陷有时会降低某些特性，但它们也会引入新的功能或增强特定的特性。通过高倍率透射电子显微镜获得的图像。红色区域表示纳米孔。蓝色区域表示污染物。箭头所指的位置存在原子缺陷。"观察到纳米孔和缺陷的密度随着激光射击的能量和数量成比例增加的趋势，使我们得出结论，纳米孔和缺陷的形成可以通过使用飞秒激光照射来操纵，"Uesugi补充说。"通过在石墨烯中形成纳米孔和原子级缺陷，不仅可以控制导电性，还可以控制量子级特性，如自旋和谷值。此外，这项研究中发现的通过飞秒激光照射去除污染物的方法可以开发出一种非破坏性和清洁地清洗高纯度石墨烯的新方法。"展望未来，该团队旨在建立一种使用激光的清洗技术，并对如何进行原子缺陷的形成进行详细调查。进一步的突破将对从量子材料研究到生物传感器开发等领域产生巨大影响。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1363301.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1363301.htm

揭开新兴领域"扭曲物理"的神秘面纱：石墨烯带材推动了材料潜能的开发

揭开新兴领域"扭曲物理"的神秘面纱：石墨烯带材推动了材料潜能的开发图中灰色的石墨烯弯曲带平铺在另一片石墨烯薄片上。上面的石墨烯带和下面的石墨烯片之间的扭转角度在不断变化。在某些地方，两片石墨烯的原子晶格以0°角对齐，而在另一些地方，两片石墨烯的原子晶格相对扭曲了5°之多。资料来源：哥伦比亚大学CoryDean认为自己对某种材料了如指掌？试着给它来个扭转--字面上的扭转。这就是凝聚态物理新兴领域"扭曲物理"的主要理念。这一领域的研究人员通过微妙的变化--小到叠层之间的角度从1.1°变为1.2°--极大地改变了石墨烯等二维材料的特性。例如，扭曲的石墨烯层已被证明具有单层石墨烯所没有的特性，包括磁体、超导体或绝缘体，而这一切都源于层间扭曲角度的微小变化。从理论上讲，可以通过旋转旋钮来改变扭转角，从而调配出任何特性。然而，哥伦比亚大学物理学家科里-迪恩（CoryDean）认为，现实并非如此简单。两层扭曲的石墨烯可以变得像一种新材料，但人们还不太清楚这些不同特性的确切原因，也无法完全控制它们。迪恩和他的实验室开发出一种简单的新制造技术，可以帮助物理学家更系统、更可重现地探究石墨烯和其他二维材料扭曲层的基本特性。他们在《科学》（Science）杂志上撰文指出，他们使用石墨烯的长"带"，而不是方形薄片，制造出的器件在扭转角度和应变方面的可预测性和可控性都达到了新的水平。石墨烯器件通常由原子般薄的石墨烯薄片组装而成，薄片只有几平方毫米。片状石墨烯之间的扭曲角度是固定的，而且片状石墨烯很难平滑地层叠在一起。该论文的共同作者、博士后比亚克-杰森（BjarkeJessen）说："把石墨烯想象成'纱布'--当你把两片石墨烯放在一起时，就会出现随机的小褶皱和气泡。这些气泡和褶皱类似于薄片之间扭曲角度的变化，以及薄片之间产生的物理应变，可导致材料随意弯曲和挤压。所有这些变化都会产生新的行为，但在设备内部和设备之间却很难控制。"带状材料可以使一切变得平滑。实验室的新研究表明，只需用原子力显微镜的尖端轻轻一推，就能将石墨烯带弯曲成稳定的弧形，然后将其平放在第二层未弯曲的石墨烯层上。这样，两层石墨烯之间的扭转角就会在整个装置的长度范围内产生从0°到5°的连续变化，应变均匀分布，再也不会出现随机气泡或皱褶。"我们不必再用10个不同的角度制作10个独立的装置来观察会发生什么，"博士后兼合著者MaëlleKapfer说。"而且，我们现在可以控制应变，这在以前的扭曲装置中是完全没有的。"研究小组使用特殊的高分辨率显微镜来确认他们的设备有多均匀。有了这些空间信息，他们开发出了一种机械模型，可以根据弯曲带的形状预测扭转角度和应变值。第一篇论文的重点是表征石墨烯带以及其他可减薄至单层并堆叠在一起的材料的行为和特性。迪恩指出："迄今为止，我们尝试过的每一种二维材料都能做到这一点。从这里开始，实验室计划利用他们的新技术来探索量子材料的基本特性如何随着扭曲角度和应变的变化而变化。例如，先前的研究表明，当扭曲角为1.1时，两层扭曲的石墨烯会像超导体一样工作。"然而，目前有各种不同的模型来解释这个所谓的"魔力角"超导现象的起源，并预测了迄今为止难以稳定的其他魔力角。利用包含0°至5°之间所有角度的带状材料制成的设备，研究小组可以更精确地探索这种现象和其他现象的起源。"我们正在做的事情就像量子炼金术：把一种材料变成另一种材料。杰森说："我们现在有了一个平台，可以系统地探索这种现象是如何发生的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376707.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376707.htm

研究人员通过彩虹散射破解"神奇材料"石墨烯的奥秘

研究人员通过彩虹散射破解"神奇材料"石墨烯的奥秘石墨烯还可能存在结构缺陷，在某些情况下，这些缺陷会对其功能造成损害，而在其他情况下，这些缺陷对其所选择的应用至关重要。这意味着，通过控制缺陷的实施，可以对石墨烯二维晶体的理想特性进行微调。在《欧洲物理杂志D》（EPJD）发表的一篇新论文中，塞尔维亚贝尔格莱德大学温查核科学研究所的米利沃耶-哈季约伊奇和马尔科-乔西奇研究了光子穿过石墨烯时的彩虹散射，以及它如何揭示这种神奇材料的结构和缺陷。虽然还有其他研究石墨烯瑕疵的方法，但这些方法都有缺点。例如，拉曼光谱无法区分某些缺陷类型，而高分辨率透射电子显微镜能以出色的分辨率表征晶体结构缺陷，但其使用的高能电子会使晶格退化。"彩虹效应在自然界中并不罕见。在原子和分子散射中也发现了彩虹效应。它是在薄晶体的离子散射实验中被探测到的。我们从理论上研究了低能质子在石墨烯上的散射，证明彩虹效应也发生在这一过程中，"Hadžijojić说。"此外，我们还证明，可以通过质子彩虹散射效应研究石墨烯结构和热振动"。二人利用一种称为彩虹散射的过程，观察了质子穿过石墨烯时所产生的衍射以及所形成的"彩虹"图案。研究人员对衍射图样进行了特征描述，发现完美的石墨烯呈现出彩虹图案，其中中间部分是一条单线，内部部分呈现出六边形对称图案，而不完美的石墨烯则不具备这种对称性。科学家们还得出结论，特定的缺陷类型会产生各自不同的彩虹图案，这可以在未来的研究中用于识别和表征石墨烯样品中的缺陷类型。哈季约吉奇总结说："我们的方法相当独特，有可能成为石墨烯和类似二维材料的一种有用的补充表征技术。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374327.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374327.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

研究发现双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动

研究发现双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动艺术家绘制的天然双层石墨烯中的移动电荷。资料来源：LukasKroll此外，他们还证明，电流可以"开关"，这为开发微小、节能的晶体管提供了可能--就像家里的电灯开关，但却是纳米级的。美国麻省理工学院（MIT）和日本国立材料科学研究所（NIMS）也参与了这项研究。研究成果发表在科学杂志《自然通讯》上。安娜-塞勒博士。图片来源：ChristianEckel石墨烯的特性与挑战石墨烯于2004年被发现，是由单层碳原子组成的。石墨烯具有许多不寻常的特性，其中最著名的是其超高的导电性，这是因为电子在这种材料中以高速、恒定的速度穿行。这一独特的特性让科学家们梦想着利用石墨烯制造速度更快、能效更高的晶体管。所面临的挑战是，要制造出晶体管，需要控制材料在高导电状态之外还具有高绝缘状态。然而，在石墨烯中，载流子速度的这种"切换"并不容易实现。事实上，石墨烯通常没有绝缘状态，这限制了石墨烯作为晶体管的潜力。石墨烯晶体管研究取得突破性进展哥廷根大学的研究小组现在发现，自然形成的双层石墨烯中的两层石墨烯结合了两方面的优点：除了绝缘状态外，这种结构还能支持电子像光一样以惊人的速度运动，就像它们没有质量一样。研究人员发现，通过施加垂直于材料的电场，可以改变这种状况，使双层石墨烯成为绝缘体。托马斯-韦茨教授。资料来源：TWeitz快速移动电子的这一特性早在2009年就已在理论上得到预测，但由于NIMS提供的材料以及与麻省理工学院在理论方面的密切合作，样品质量显著提高，才有可能在实验中发现这一特性。虽然这些实验是在低温条件下进行的--低于冰点约273°--但它们显示了双层石墨烯制造高效晶体管的潜力。"我们早就知道这个理论。但是，现在我们已经进行了实验，实际显示了电子在双层石墨烯中类似光的分散。对于整个团队来说，这是一个非常激动人心的时刻，"哥廷根大学物理系的托马斯-韦茨教授说。哥廷根大学博士后研究员、第一作者AnnaSeiler博士补充说："我们的工作只是迈出了关键的第一步。研究人员下一步将研究双层石墨烯是否真的能改善晶体管，或者研究这种效应在其他技术领域的潜力。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427873.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427873.htm