石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來，不管是在物理還是材料領域，一直是熱門的研究方向。經(jīng)過多年研究攻關，中國科學院大學的研究團隊在世界上首次實現(xiàn)了原子級精準控制的石墨烯折疊，構筑出一種新型的準三維石墨烯納米結構，這是目前世界上最小尺寸的石墨烯折疊，對構筑量子材料和量子器件等具有重要意義。2019年09月06日，相關成果以題為“Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures”的文章在線發(fā)表在Science上。

通常，為了實現(xiàn)石墨烯納米結構，研究人員會采用化學、電化學、機械剝離和輻照等方法。然而，這些方法往往不能得到結構規(guī)整、尺寸均一的石墨烯。這樣一來，不合規(guī)的石墨烯納米結構在制造石墨烯基器件時就會遇到極大的困難。探索新型低維碳納米材料及其新奇物性是世界前沿的科學問題之一，相關研究曾兩次獲得諾貝爾獎。目前在單原子層次上精準構筑和調控基于石墨烯的低維碳納米結構仍存在巨大挑戰(zhàn)。

圖1 利用STM進行石墨烯折疊

圖2 精確控制石墨烯折疊過程

中國科學院大學的高鴻鈞院士和杜世萱研究員（共同通訊作者）等人受到折紙工藝的啟發(fā)，開發(fā)了新型的石墨烯設計加工工藝。該研究利用低溫掃描隧道顯微鏡對石墨烯進行操控，研究人員沿任意指定方向對石墨烯納米島（GNIs）進行折疊-展開處理。經(jīng)過反復的折疊-展開，研究人員獲得了具有可調節(jié)扭曲角和層間管狀邊緣連接的雙層石墨烯，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，扭曲角最大可至60度，加工精度可達至0.1度。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，折疊單晶GNIs能夠創(chuàng)造具有特定手性的管狀邊緣，具有與碳納米管相似的一維電子特征。研究認為，原子級精確的石墨烯“折紙”術為納米碳結構的構筑提供了新方法，并賦予石墨烯獨特的量子性質，為最終用于器件制造和設計提供了新的機遇。

圖3 一維管狀結構的手性及電子特性

圖4 構建一維碳材料異質結

高鴻鈞院士介紹：這個就是納米掃描探針，我們通過探針去操縱石墨烯轉動，石墨烯是雙晶結構，對雙晶石墨烯折疊之后，就可以形成異質結。這個異質結本身如果做成器件的話，它就是一個非常有應用前景的量子器件。

據(jù)了解，該研究成果是目前世界上最小尺寸的?；谶@種原子級精準的“折紙術”，還可以折疊其它新型二維原子晶體材料和復雜的疊層結構，進而制備出功能納米結構及其量子器件。

高鴻鈞院士：折疊之后，這些新型的二維原子晶體材料有可能由沒有超導特性變成（有）超導特性，沒有磁性可以變成有磁性。 利用這樣一些特性的變化去構造功能的量子器件，對未來的應用將會有重要的意義，比如量子計算等等。

文獻鏈接：Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax7864）