中國(guó)粉體網(wǎng)訊 石墨烯一直是nature/science的研究熱點(diǎn)，下面為大家梳理一下近些年來(lái)發(fā)表在nature/science上的文章。
1.Science:檢測(cè)固態(tài)系統(tǒng)中電子間相互作用的“指紋”
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的J. A. Stroscio（通訊作者）等人利用隧道測(cè)量技術(shù)成功地將環(huán)形石墨烯諧振器中空間約束和磁約束之間的相互影響可視化，并直接觀測(cè)到了電子相互作用的痕跡。石墨烯是一種表面暴露大量電子的二維材料，因此被認(rèn)為是研究外加場(chǎng)中能級(jí)變化的理想材料。研究人員首先將石墨烯器件冷卻到絕對(duì)零度左右，以便創(chuàng)造量子點(diǎn)-小島作為人工原子，在強(qiáng)度為1特斯拉的磁場(chǎng)中，量子點(diǎn)中的電子堆積更加緊密，相互作用也被加強(qiáng)，最終這些電子將被以導(dǎo)電-絕緣同心環(huán)交替的形式進(jìn)行重排。通過掃描隧道顯微鏡，不同電子能級(jí)的同心環(huán)圖像被堆放在一起最終實(shí)現(xiàn)婚禮蛋糕型結(jié)構(gòu)。因此這一研究為極端條件下觀測(cè)和了解量子-相對(duì)物質(zhì)的行為提供了有效的方法。2018年8月24日，相關(guān)成果以題為“Interaction-driven quantum Hall wedding cake–like structures in graphene quantum dots”在線發(fā)表在Science上。
文獻(xiàn)鏈接：Interaction-driven quantum Hall wedding cake–like structures in graphene quantum dots（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar2014）
2.Nature：石墨烯納米帶的拓?fù)淠軒Чこ?/span>
美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Steven G. Louie教授、Michael F. Crommie教授和Felix R. Fischer教授（共通通訊作者）在國(guó)際著名期刊Nature發(fā)表了一篇題為“Topological band engineering of grapheme nanoribbons”的研究性文章。在該文中，研究人員報(bào)道了拓?fù)涔こ绦揎桮NR超晶格的合理設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，從而產(chǎn)生了難以獲得的電子結(jié)構(gòu)；此外，該策略還能將新的終態(tài)直接設(shè)計(jì)到一維GNR超晶格的末端。原子級(jí)精確的拓?fù)銰NR超晶格由Au（111）表面上的分子前體在超高真空條件下合成，并通過低溫掃描隧道顯微鏡（STM）和光譜學(xué)得以表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和第一性原理計(jì)算表明，該GNR超晶格的邊界能帶結(jié)構(gòu)（滿帶和空帶）完全由相鄰?fù)負(fù)浣缑鎽B(tài)之間的耦合所定義，這種非凡的一維拓?fù)湎酁榛陔娮油負(fù)鋵W(xué)一維材料的能帶精確調(diào)控提供了一種途徑，同時(shí)其也是一種有前景的一維量子自旋物理學(xué)研究平臺(tái)。
文獻(xiàn)鏈接：Topological band engineering of grapheme nanoribbons（Nature，2018，DOI：10.1038/s41586-018-0376-8）
3.Nature：石墨烯氮微諧振器中的柵極可調(diào)諧頻梳
來(lái)自成都電子科技大學(xué)的姚佰承（通訊作者）的團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表了題為Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators的文章，通過將柵極可調(diào)光導(dǎo)與氮化硅光子微諧振器耦合，從而通過改變費(fèi)米能級(jí)來(lái)調(diào)制其二階和更高階色散來(lái)證明石墨烯基光學(xué)頻率梳的門控腔內(nèi)可調(diào)諧性。他們實(shí)現(xiàn)了雙層離子凝膠門控晶體管，以在單電壓電平控制下調(diào)節(jié)石墨烯0.45-0.65電子伏特范圍內(nèi)的費(fèi)米能級(jí)。他們進(jìn)一步證明了從周期性孤子晶體到具有缺陷的晶體的電壓可調(diào)諧轉(zhuǎn)換，這種結(jié)合了單原子層納米科學(xué)和超快光電子的異質(zhì)石墨烯微腔將有助于提高我們對(duì)動(dòng)態(tài)頻率梳和超快光學(xué)的理解。
4.Nature：石墨烯納米帶
北京時(shí)間2018年5月31日，Nature在線發(fā)表了英國(guó)牛津大學(xué)材料系Lapo Bogani（通訊作者）團(tuán)隊(duì)題為“Magnetic edge states and coherent manipulation of graphene nanoribbons”的文章，通過穩(wěn)定的自旋軸承基團(tuán)功能化分子石墨烯納米帶，研究解決了其研究進(jìn)程中的兩大問題。實(shí)驗(yàn)觀察到預(yù)測(cè)的非局域磁邊緣狀態(tài)，并測(cè)試了自旋動(dòng)力學(xué)和自旋-環(huán)境相互作用的理論模型。與非石墨化的參考材料相比，能夠清楚地識(shí)別自由基功能化石墨烯納米帶的特征行為。研究量化了自旋軌道耦合的參數(shù)，定義了相互作用模式，并確定了自旋退相干通道。即使沒有任何優(yōu)化，自旋相干時(shí)間能夠在室溫下的微秒范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)邊緣和自由基自旋之間的量子反演操作。該課題提供了一種在石墨烯納米帶實(shí)驗(yàn)中測(cè)試磁性理論的方法。研究觀察到的相干時(shí)間開辟了在量子自旋電子器件中使用磁性納米帶的新里程碑。
文獻(xiàn)鏈接：Magnetic edge states and coherent manipulation of graphene nanoribbons（Nature,2018,DOI: 10.1038/s41586-018-0154-7）
5.Science：實(shí)現(xiàn)鎳上石墨烯原子吸附的實(shí)時(shí)成像
北京時(shí)間2018年3月16日，Science在線發(fā)表了的里雅斯特大學(xué)Maria Peressi、國(guó)家研究委員會(huì)(CNR)TASC的Cristina Africh（共同通訊）等人題為“Real-time imaging of adatom-promoted graphene growth on nickel”的文章。該研究從實(shí)驗(yàn)和理論上證明了在鎳（Ni）上石墨烯生長(zhǎng)的技術(shù)相關(guān)過程中單金屬吸附原子所起的催化作用。通過在毫秒時(shí)間尺度掃描隧道顯微鏡成像直接捕獲單個(gè)Ni原子在生長(zhǎng)的石墨烯薄片邊緣處的催化作用，而力場(chǎng)分子動(dòng)力學(xué)和密度泛函理論計(jì)算使實(shí)驗(yàn)觀察合理化。石墨烯在金屬表面上的生長(zhǎng)可以由流動(dòng)表面金屬原子催化。高溫導(dǎo)致碳擴(kuò)散到表面，其中流動(dòng)的鎳原子催化邊緣上的石墨烯生長(zhǎng)。研究結(jié)果揭示了控制單原子催化劑活性的機(jī)制。
6.Nature：石墨烯中的新電子態(tài)
在美國(guó)麻省理工學(xué)院P. Jarillo-Herrero教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)和曹原（第一作者）的帶領(lǐng)下，與美國(guó)哈佛大學(xué)，日本國(guó)立材料科學(xué)研究所合作，報(bào)道了當(dāng)兩個(gè)石墨烯片材扭曲接近理論預(yù)測(cè)的“魔角”時(shí)，由于強(qiáng)的層間耦合，產(chǎn)生的電荷中性附近的能帶結(jié)構(gòu)變得平坦。這些扁平帶在半填充時(shí)表現(xiàn)出絕緣狀態(tài)，產(chǎn)生的新電子態(tài)是Mott絕緣體態(tài)，來(lái)源于電子之間的強(qiáng)排斥作用。魔角扭曲雙層石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)可能為無(wú)磁場(chǎng)的二維平臺(tái)上的多體量子相位開啟新的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。相關(guān)成果以題為“Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices”發(fā)表在了Nature上。
文獻(xiàn)鏈接：Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices（Nature, 2018, DOI: 10.1038/nature26154）
7.Nature：魔角石墨烯超晶格中的非常規(guī)超導(dǎo)性
美國(guó)麻省理工學(xué)院P. Jarillo-Herrero教授（通訊作者）和曹原（第一作者）團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，與美國(guó)哈佛大學(xué)，日本國(guó)立材料科學(xué)研究所合作，報(bào)道了堆疊具有小扭曲角的兩個(gè)石墨烯片中二維超晶格，產(chǎn)生一種全新的電子態(tài)——超導(dǎo)態(tài)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度小到魔角時(shí)（<1.05°），扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區(qū)域會(huì)形成窄電子能帶，電子相互作用效應(yīng)增項(xiàng)，從而產(chǎn)生非導(dǎo)電的Mott絕緣態(tài)。在Mott絕緣態(tài)情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。相關(guān)成果以題為“Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices”發(fā)表在了Nature上。
文獻(xiàn)鏈接：Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices（Nature, 2018, DOI: 10.1038/nature26160）
8.Science:雙層石墨烯中的可調(diào)激子
美國(guó)康奈爾大學(xué)的Paul L. McEuen（通訊作者）、加州大學(xué)伯克利分校的王楓副教授（通訊作者）以及哥倫比亞大學(xué)的James Hone（通訊作者）等人在氮化硼中包覆高質(zhì)量BLG，利用其光電流譜學(xué)觀察到了BLG中顯著的激子共振現(xiàn)象。這一現(xiàn)象具有窄線寬的特點(diǎn)，其從中紅外到太赫茲范圍均是可調(diào)的。這些激子所遵循的光學(xué)選擇規(guī)則與傳統(tǒng)半導(dǎo)體的激子截然不同，其電子贗自旋繞組數(shù)達(dá)到2。不僅如此，外磁場(chǎng)作用還可引發(fā)能谷-激子的分裂，其g因子可達(dá)20左右。這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為探索電學(xué)可調(diào)石墨烯系統(tǒng)的激子物理學(xué)提供了功能性。該工作以 “Tunable excitons in bilayer graphene”為題發(fā)表在2017年11月17日的Science上。
文獻(xiàn)鏈接：Tunable excitons in bilayer graphene（Science, 2017, DOI: 10.1126/science. aam9175）
9.Nature：氧化石墨烯膜通過陽(yáng)離子控制層間距實(shí)現(xiàn)離子篩分
中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所方海平、Jingye Li、上海大學(xué)吳明紅團(tuán)隊(duì)、南京工業(yè)大學(xué)金萬(wàn)勤團(tuán)隊(duì)（共同通訊）等人使用K +，Na+，Ca2+，Li+或Mg2+離子顯示了利用陽(yáng)離子控制層間距精確訂裝氧化石墨烯膜，表現(xiàn)出優(yōu)異的離子篩分和海水淡化性能。此外，由一種類型陽(yáng)離子控制的膜間距可以有效地選擇性地排除具有較大水合體積的其它陽(yáng)離子。第一性原理計(jì)算和紫外吸收光譜表明，最穩(wěn)定的陽(yáng)離子吸附位置是氧化物基團(tuán)和芳環(huán)共存的地方。密度泛函理論計(jì)算表明，與Na+相比，其他陽(yáng)離子應(yīng)該具有比石墨烯片更強(qiáng)的陽(yáng)離子-π相互作用。上述內(nèi)容以題為“Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing”發(fā)表在了Nature上。
文獻(xiàn)鏈接：Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing（Nature,2017,DOI:doi:10.1038/nature24044）
10.Science：基于環(huán)形石墨烯諧振器中的幾何相位開關(guān)
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所Joseph A. Stroscio教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，通過通過特殊的幾何相位可以誘導(dǎo)出一些有趣的光譜特征：在相對(duì)較小的臨界磁場(chǎng)情況下，環(huán)形石墨烯P-N結(jié)共振器的角動(dòng)量的能量會(huì)突然大幅增加。這種現(xiàn)象源于π幾何相位的變化，同時(shí)也和石墨烯中的狄拉克費(fèi)米子的拓?fù)湫再|(zhì)有關(guān)。幾何相位可以在很小的磁場(chǎng)調(diào)控變化下控制和切換開關(guān)狀態(tài)，這也為未來(lái)石墨烯光電器件的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。
文獻(xiàn)鏈接：An on/off Berry phase switch in circular graphene resonators（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal0212）
11.Science：石墨烯增強(qiáng)橢圓偏振光激發(fā)高次諧波產(chǎn)生
京都大學(xué)的Naotaka Yoshikawa教授（通訊作者）和Koichiro Tanaka教授（通訊作者）等人研究發(fā)現(xiàn)，在室溫，中紅外脈沖激光的激發(fā)下石墨烯中最多可以觀察到九次諧波，通過橢圓偏振激光器激發(fā)可以增強(qiáng)石墨烯中的HHG，產(chǎn)生的諧波輻射也會(huì)發(fā)生極化。實(shí)驗(yàn)中觀察到橢圓率的依賴關(guān)系可以通過固體中的量子力學(xué)來(lái)處理以及理論計(jì)算仿真。石墨烯零帶隙也使得石墨烯中的HHG有著獨(dú)特的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為進(jìn)一步研究強(qiáng)場(chǎng)，超快動(dòng)力學(xué)以及狄拉克費(fèi)米子的非線性行為奠定了基礎(chǔ)。
文獻(xiàn)鏈接：High-harmonic generation in graphene enhanced by elliptically polarized light excitation（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam8861）
12.Nature: 通過石墨烯實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離外延生長(zhǎng)，可高效高質(zhì)量的轉(zhuǎn)移二維材料
麻省理工學(xué)院 (MIT) 的Jeehwan Kim (通訊作者) 等人在Nature 雜志上發(fā)表了一篇題為“Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer”的文章。該文章報(bào)道了在石墨烯夾層存在下，仍可實(shí)現(xiàn)在GaAs基底上同質(zhì)外延生長(zhǎng)GaAs層的工作。通過密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)在一定距離內(nèi)，兩GaAs晶面間隙中仍存在電子分布。且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯較弱的范德華勢(shì)不能完全屏蔽基底和外延層間的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)了在單層石墨烯夾層存在下遠(yuǎn)距離同質(zhì)外延生長(zhǎng)GaAs，InP和GaP。該方法生長(zhǎng)的GaAs等材料為高質(zhì)量單晶，且石墨烯夾層的存在使外延層可以快速完整的從基底剝離。用該方法制備的AlGaInP-GaInP 雙異質(zhì)結(jié)LEDs的性能也可與直接在GaAs基底上外延生長(zhǎng)制備的LEDs相匹敵。
文獻(xiàn)鏈接：Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer (Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature22053)
13.Nature：諾獎(jiǎng)得主筆下的石墨烯藍(lán)圖！
近年來(lái)，石墨烯（第一種二維原子晶體）研究取得了許多突破，石墨烯的大量制備也取得了顯著的進(jìn)展。這種一個(gè)原子厚度的碳材料集超高的機(jī)械強(qiáng)度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和抗?jié)B性等諸多優(yōu)異性能于一身，這使得其在許多領(lǐng)域中都有誘人的應(yīng)用前景。因在石墨烯材料方面的卓越研究榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的K. S. Novoselov等應(yīng)邀撰寫了一篇有關(guān)石墨烯最新進(jìn)展的Review，該綜述以“A roadmap for graphene ”為題發(fā)表在2012年10月11日出版的Nature期刊上。這篇Review回顧了石墨烯研究的最新進(jìn)展，綜述了制備方法的發(fā)展，同時(shí)批判地分析了石墨烯的各種應(yīng)用的可行性。下面讓我們來(lái)一睹為快吧！
文獻(xiàn)鏈接：A roadmap for graphene (Nature, 2012, DOI: 10.1038/nature11458)
14.Science：斯坦福大學(xué)研究人員在石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)研究中取得新進(jìn)展
來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)的David Goldhaber-Gordon（通訊作者）等通過測(cè)量同一磁場(chǎng)中相鄰觸體間的軌道運(yùn)輸，被稱作橫向電子聚焦效應(yīng)，來(lái)研究moiré微能帶中電子的動(dòng)力學(xué)特征。在低溫下，研究人員觀察到躍遷軌道的焦散線在數(shù)以百計(jì)的超晶格周期方向延展，為連續(xù)微能帶逆轉(zhuǎn)了回旋加速器的回旋，終止了在范霍夫奇點(diǎn)附近的回旋運(yùn)動(dòng)。在高溫下，電子與電子間的碰撞抑制了聚焦。研究這類微能帶的傳導(dǎo)性能在設(shè)計(jì)超晶格器件中新型的運(yùn)輸行為很有必要。
文獻(xiàn)鏈接：Ballistic miniband conduction in a graphene superlattice（Science, 2016, DOI: 10.1126/ science.aaf1095）
15.Science：彈道石墨烯P-N結(jié)處的電子光學(xué)現(xiàn)象
美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的Shaowen Chen，Zheng Han和Cory R. Dean（共同通訊作者）等提出使用橫向電磁聚焦來(lái)研究載流子在石墨烯電調(diào)制石墨烯P-N結(jié)處的傳播。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，電子在該界面處觀察到的正反射和負(fù)反射均滿足斯涅耳定律，此外，研究人員還利用P-N結(jié)處的共振透射直接測(cè)定電子反射角度與透射系數(shù)之間的關(guān)系。
文獻(xiàn)連接 ：Electron optics with p-n junctions in ballistic grapheme （Science，2016，DOI: 10.1126/science. aaf5481）
16.Science：微波還原法1秒制備高質(zhì)量石墨烯！
來(lái)自美國(guó)羅格斯大學(xué)的Manish Chhowalla教授（通訊作者）等在Science上發(fā)表論文，報(bào)道了一種采用僅需1-2秒的微波法制備出高質(zhì)量石墨烯。該方法制備得到的石墨烯材料作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的通道材料可以實(shí)現(xiàn)電子遷移率大于 1000m2/V/s，并且作為催化劑載體材料表現(xiàn)出優(yōu)異的析氧催化性能。
文獻(xiàn)鏈接：High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide ( Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah3398)
17.Science：納米復(fù)合材料與半無(wú)限石墨烯在有限板內(nèi)的包覆
美國(guó)麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系 Michael S. Strano等人使用堆疊的方法來(lái)生產(chǎn)對(duì)齊的石墨烯/聚碳酸酯復(fù)合材料，該材料由320個(gè)約0.032mm - 0.11mm厚的平行層組成，顯著增加了有效的彈性模量和強(qiáng)度，而且體積分?jǐn)?shù)僅為0.082%。類似的橫向剪切滾動(dòng)的方法生成了阿基米德螺旋纖維，得到可伸縮的斷裂伸長(zhǎng)率為110%，大于芳綸的30倍之多。該復(fù)合材料保留了沿石墨烯平面軸導(dǎo)電的各向異性。在大量減少體積分?jǐn)?shù)的情況下這些復(fù)合材料可以保證高機(jī)械強(qiáng)度，電學(xué)和光學(xué)性能。
文章鏈接：Layered and scrolled nanocomposites with aligned semi-infinite graphene inclusions at the platelet limit（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf4362）
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/青禾）
