近日，中國科學院高鴻鈞團隊傳出喜訊，他們實現了在石墨烯上高精度的結構製作，精度已經達到了原子的級別。
這樣的研究成果不僅顯示了研究團隊對於納米結構製作的高超技術，也再次將石墨烯這一納米器件製作平台推到了科學研究的最前沿，對於可控制造特殊性質的納米器件，例如量子器件，有重要研究意義。
此項成果以論文的形式發表於 9 月 6 日的Science雜誌上，高鴻鈞院士對DeepTech 表示，在本次工作中，團隊利用課題組長期積累的掃描隧道顯微學原子操縱技術，實現了原子級精準的石墨烯可控折疊，目前也在嘗試六方氮化硼等其他二維材料的可控折疊，以及利用原子級精準的可控折疊技術，構築更為複雜的二維納米結構。
據介紹，高鴻鈞課題組長期致力於石墨烯的製備、物性研究及潛在應用，是國際上最早的在金屬襯底上外延生長高質量、大面積石墨烯的課題組之一。
（來源：麻省理工科技評論）
在這次重要突破中，如此精細的原子級製作，必定使用了非常高深難懂的手法吧！其實不然，文章的第一作者是來自中科院的陳輝、張現利和張余洋，他們在文中用的詞匯是“Orgami”——折紙藝術。
事實上，他們只是用 STM（掃描隧道顯微鏡）將石墨烯折疊了一下。沒錯，他們登上Science的文章，僅僅是將一小塊石墨烯折疊了一下，得出了很奇妙的現象。
這種反差萌其實和石墨烯的特色發跡史一脈相承，石墨烯於 2004 年由英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發現。當時獲取石墨烯的方法名稱很響亮：“機械剝離法”，也就是從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然後將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，於是薄片越來越薄，最後，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。
而他們也因為對於石墨烯研究的卓越貢獻，於 2010 年被授予諾貝爾物理學獎，那年的諾獎也被稱為是“用膠帶撕出來”的。只能說我們身邊的科學有很多是源於生活，而高於生活的。
圖丨 折紙藝術（來源：東方IC）
一直以來，石墨烯都被認為是“新材料之王”，這種特殊的材料，也是科學家發現的首批二維材料之一，是由碳原子以 sp² 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。
石墨烯突出的特點是，高載流子遷移率、強度高、帶隙可調等，是半導體研究、納米材料研究的熱點材料。
其次，石墨烯是製作一系列納米材料的“母體”，我們能夠以石墨烯為“出發點”，製作一系列有獨特特性的材料，例如像足球一樣的“富勒烯”，可以認為是由石墨烯的片段卷積而成；還有“碳納米管（CNT）”，可以認為是用石墨烯“卷”起來的。最近，MIT 的研究團隊基於碳納米管制作了一款具有超過 14,000 個晶體管的 16 位微處理器，剛剛登上Nature期刊。而按照不同的角度“卷”起來的碳納米管，它們會有不同的物理特性。
那麽，如果能夠精確控制製作工藝，在石墨烯這個平台上製作我們想要的納米材料就具有十分重大的研究意義和廣闊的應用前景了，也能為探索石墨烯的新性能打開新方向。
如何實現精細操作呢？研究團隊選擇了可能是當今世上最精貴的儀器——“STM（掃描隧道顯微鏡）”進行操作，這種基於“量子隧穿效應”的儀器也是當今世上最精密的測試儀器之一，能夠通過儀器中原子尺寸級別的探針與樣品之間的相互作用來實現“原子操縱（Atomic Manipulation）”，即對單原子進行移動，並以此製作納米結構。
圖丨曾登上化學高考試題的“中國”，由我國科學家在1993年首次利用超真空掃描隧道顯微鏡技術，在一塊晶體矽（由矽原子構成）的表面直接移動矽原子寫下了“中國”兩字（來源：資料）
選擇了石墨烯，選擇了利器 STM，研究人員就放開手腳大幹了一場。他們首先使用 STM 將一小塊石墨烯（原文是 graphene island，即石墨烯小島），進行折疊和展開操作，折疊方向可以是隨機的，也可以是精確控制沿著指定方向進行折疊。
這一次的折疊，是當今世界上最小的一次對石墨烯的折疊，並且不僅能折疊，還能複位，如果沒有十分精確的控制是不可能完成的。
高鴻鈞解釋道：“單純的折疊和複原其實比較快，就是在秒的量級。但是為了實現原子級精度的可控折疊，需要首先在高定向裂解石墨上獲得合適尺寸的石墨烯納米片，我們目前使用的是氫離子轟擊技術，一般需要 10 個循環的氫離子轟擊，這個過程需要 10 個小時左右。一旦有了我們設計尺寸的石墨烯納米片，折疊和複原就可以很快，並且成功率也很高，可重複性也非常好。”
圖丨 STM實現的石墨烯折疊和複原 （來源：Science）
接著，研究團隊在折疊處發現了具有特殊性質的結構——“褶子”，研究團隊將其稱為“1D tubular”，如上圖中 C 和 D 所示，清晰地記錄了這個結構的高度尺寸。他們發現這個結構和碳納米管結構很類似，都是石墨烯卷起來一樣的，那麽它的性質會是怎樣的呢？
電學測試表明，與碳納米管類似，這樣的結構具有一維材料的特性，電子在這種結構上只能做一維的運動，即向前或者向後。
圖丨高鴻鈞（來源：資料）
但是，該結構與傳統碳納米管相比也略有不同，對此高鴻鈞解釋道：“利用石墨烯折疊出來的 1D tubular 結構與傳統的 CNT 相比，有著自身的特點。從原子結構角度來講，折疊出來的 1D tubular 是一個非閉合結構，這種非閉合結構也會對其電子結構造成影響，我們的理論計算表明，1D tubular 除了具有傳統 CNT 的 1D van Hove 奇點特徵以外，還具備一些有限尺寸石墨烯片的電子結構特點。”也就是說，1D tubular 是利用石墨烯卷起來的非閉合結構，它既有碳納米管的一些特性，也具有石墨烯的特性。
於是高鴻鈞團隊開始考慮如何利用這種結構製作器件，根據石墨烯具有的“雙晶”特性，他們首先嘗試了“異質結”器件（一個器件由兩種不同性質材料組成）的製作。
圖丨石墨烯折疊形成（來源：Science）
分所謂“雙晶”特性，就是一層石墨烯上可能會出現兩種排列方向不同的蜂窩結構，即使都是六邊形，就好像是用兩張餅拚成了一張餅一樣（如上圖中的 A）。換一種說法，我們也可以認為是在一層雙晶石墨烯上能存在兩種不同屬性的石墨烯，也就是兩種不同的材料。
如果我們能夠以一種可控的方式將這層雙晶石墨烯以一定的角度折疊起來，那麽在折疊的地方就能出現兩種材料的界面，也就能形成異質結的結構。
這種處於一維結構上的異質結可能會顯示出不一樣的電子特性，例如文章中報導的局部電子奇點等，也許會成為新型一維器件的製作方式。
對於材料的應用，高鴻鈞充滿自信地表示：“如果利用雙晶石墨烯片進行可控折疊，可以得到傳統 CNT 研究中科學家一直想要獲得的結構可控的一維納米線異質結，這樣的一維納米線異質結兩端的電子結構可以相差很大，通過精心設計，可以做成傳統半導體器件中的 pn 結，進而構建更加豐富的信息功能器件”。
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