中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授李震宇等在金屬納米粒子切割石墨烯的機(jī)理研究中取得新進(jìn)展，首次揭示了金屬納米粒子在石墨烯切割中扮演“吃豆人(Pac-Man)”的角色。該研究成果發(fā)表在5月24日的Angew. Chem. Int. Ed.上。論文第一作者為博士生邱宗仰。
在二維材料的很多應(yīng)用中，需要先將它們切割成特定的形狀。雖然石墨烯可以在強(qiáng)氧化或者高能等離子體環(huán)境中進(jìn)行切割，但是為了保證石墨烯樣品的質(zhì)量，人們希望切割能在更加溫和的條件下進(jìn)行。其中一種可能的途徑是使用金屬納米粒子作為催化劑，在氫氣中進(jìn)行切割。為了使切割過(guò)程更加可控，需要對(duì)其中的微觀機(jī)理有深入的了解。之前在對(duì)強(qiáng)氧化環(huán)境下石墨烯切割的研究中被廣泛接受的“拉鏈”機(jī)理，依賴于單個(gè)氧原子作為尖兵來(lái)切斷石墨烯中的碳-碳鍵。顯然這種基于單原子的“拉鏈”機(jī)理無(wú)法解釋納米粒子切割實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的諸多依賴于納米粒子尺寸的效應(yīng)。因此，金屬納米粒子催化的石墨烯切割應(yīng)當(dāng)存在新的機(jī)理。為此，李震宇及其合作者采用多尺度模擬的方法，先在高溫下使用反應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬得到定性的物理圖像，再在實(shí)驗(yàn)溫度下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)采樣(metadynamics)確定反應(yīng)路徑，然后通過(guò)高精度第一性原理計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，最后從動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅模擬中得到切割動(dòng)力學(xué)。
研究表明，金屬納米粒子與石墨烯接觸時(shí)，石墨烯邊緣的碳-碳鍵被附近的金屬原子弱化直至切斷，形成的懸掛碳原子處于多個(gè)金屬原子包圍中，在懸掛鍵斷裂后被吞入金屬納米粒子內(nèi)部。這一過(guò)程類似吃豆人游戲中的吃豆過(guò)程，因此相關(guān)的機(jī)理被稱為“吃豆人”機(jī)理。被蝕刻的碳原子最后擴(kuò)散到金屬納米粒子表面，在那里與氫反應(yīng)形成碳?xì)浠衔锓肿雍筮M(jìn)入氣相。在“吃豆人”機(jī)理中，致密的鋸齒型石墨烯邊緣的碳-碳鍵最難被打斷。但是，一旦一條完整的鋸齒型邊緣碳鏈中有一個(gè)碳-碳鍵被打開，其所在位置便形成一個(gè)開放的局域環(huán)境，進(jìn)而使得周邊的碳原子很容易被蝕刻掉。這樣，像多米諾骨牌一樣，第一個(gè)碳-碳鍵的斷裂將觸發(fā)整條鋸齒型邊緣碳鏈的蝕刻，從而使得石墨烯和金屬納米粒子接觸的界面向前推進(jìn)。
如果考慮單位時(shí)間內(nèi)被蝕刻掉的碳原子的總數(shù)目，需要考慮兩個(gè)因素：一個(gè)是蝕刻溝道的寬度，正比于金屬納米粒子半徑；另外一個(gè)因素是溝道的長(zhǎng)度，由納米粒子移動(dòng)的快慢決定。根據(jù)觸發(fā)機(jī)制，蝕刻過(guò)程的大部分時(shí)間都花費(fèi)在等待鋸齒型邊緣第一個(gè)碳-碳鍵被打開上。金屬納米粒子越大，石墨烯-金屬界面就越長(zhǎng)，可以被觸發(fā)的碳-碳鍵數(shù)目越多，從而等待時(shí)間也就越短，納米粒子移動(dòng)速度越快。最后，總的切割速率正比于納米粒子半徑的平方。這一結(jié)果解釋了實(shí)驗(yàn)上切割速率正比于納米粒子表面積的觀測(cè)結(jié)果，同時(shí)指出切割過(guò)程中最關(guān)鍵的步驟并非發(fā)生在納米粒子表面而是在金屬-石墨烯的界面。
李震宇研究組近年來(lái)一直關(guān)注石墨烯切割機(jī)理，除了金屬納米粒子切割以外，對(duì)之前強(qiáng)氧化環(huán)境下基于“拉鏈”機(jī)理的石墨烯切割也進(jìn)行了深入的研究，相關(guān)研究成果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.、J. Chem. Phys.等雜志上。對(duì)這些切割機(jī)理的理解為二維材料處理加工過(guò)程中的精確調(diào)控提供了理論指導(dǎo)。
上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院和教育部等的資助。
金屬納米粒子催化的石墨烯切割的“吃豆人”機(jī)理示意圖
