單層石墨烯一維褶皺到扭轉(zhuǎn)角可控的多層石墨烯的轉(zhuǎn)變機理

近年來，轉(zhuǎn)角石墨烯受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。轉(zhuǎn)角石墨烯所具有的大周期莫爾晶格（Moiré pattern）及其所帶來的能帶折疊效應(yīng)可以誘導(dǎo)出豐富、新奇的電子結(jié)構(gòu)。尤其是在一些特殊的小角度上，電子結(jié)構(gòu)中所出現(xiàn)的平帶會衍生出很多不尋常的現(xiàn)象，如超導(dǎo)、強關(guān)聯(lián)、自發(fā)鐵磁性等。

目前絕大多數(shù)研究采用機械剝離和逐層轉(zhuǎn)移的物理方法對轉(zhuǎn)角石墨烯樣品進行制備，然而，該方法存在條件苛刻、產(chǎn)出率低、界面污染等一系列問題。為發(fā)展更加高效的制備技術(shù)，研究者們通過對化學(xué)氣相沉積法中襯底的設(shè)計，陸續(xù)突破了幾種類型的轉(zhuǎn)角石墨烯的規(guī)模化制備難題。然而在對多層石墨烯的轉(zhuǎn)角周期的可控制備方面，并沒有比較普適的解決辦法。

近日，來自深圳理工大學(xué)（籌）、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院、上海科技大學(xué)、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國人民大學(xué)和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究者們尋找到了一種石墨烯的折紙方法，可以實現(xiàn)高層間周期的轉(zhuǎn)角石墨烯的可控制備。作者們發(fā)現(xiàn)，鉑金表面生長的石墨烯會形成一定的褶皺，褶皺長大后向兩旁倒下，并在一些位置撕裂形成一個四重的螺旋位錯中心。褶皺倒下時會折疊其一側(cè)的石墨烯，帶來與褶皺的“手性”角（也就是褶皺的方向與石墨烯晶向的夾角）具有兩倍關(guān)系的單層轉(zhuǎn)角。作者們稱之為“一維手性到二維轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)化關(guān)系”，并利用折紙模型對該現(xiàn)象進行了形象的演示。

圖1：石墨烯折紙現(xiàn)象的記錄與演示，其中(a-d)原位ESEM實驗所記錄的褶皺形成、倒下和再生長的過程；（e-h）相應(yīng)過程的示意圖；（i-l）利用折紙模型演示褶皺的形成、倒下和再生長。

圖2：螺旋位錯附近的再生長過程，其中(a-d)原位SEM實驗所記錄的多個反向螺旋位錯附近的再生長過程；（e-h）動力學(xué)蒙特卡洛對該過程的模擬演示；（i）原子尺度分辨率STM所表征的石墨烯褶皺“手性”角；（j-l）利用折紙模型演示褶皺倒下時形成的螺旋位錯及下層石墨烯出現(xiàn)的轉(zhuǎn)角。（m-t）螺旋位錯再生長所帶來的四層周期轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)示意圖。

作者們進一步研究了所形成的螺旋位錯再生長帶來的新奇現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)各層石墨烯會隨著再生長形成具有周期性的四層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，其中第1、3層與原始石墨烯的晶向相同，而2、4層的晶向由褶皺手性角所決定。作者們因此提出了一種新的周期轉(zhuǎn)角多層石墨烯的制備方法：通過控制石墨烯褶皺形成的方向，制備具有特殊層間轉(zhuǎn)角周期的多層石墨烯。該方法也可用于多種可以形成褶皺的其他二維材料。

圖3：石墨烯螺旋的再生長和合并，其中（a-f）原位ESEM實驗所記錄的褶皺出現(xiàn)到最終生長成多層轉(zhuǎn)角石墨烯的全過程；（g）TEM表征下的多層轉(zhuǎn)角石墨烯；（h）原子分辨率的多層轉(zhuǎn)角石墨烯表征圖；(i-k)）動力學(xué)蒙特卡洛對該過程的模擬。

圖4：多層螺旋石墨烯和多層堆垛石墨輸運性質(zhì)的區(qū)別，（a）原子力顯微鏡觀察到的螺旋位錯中心；（b-d）輸運性質(zhì)檢測時的實驗設(shè)置；（e-g）多層螺旋石墨烯和多層堆垛石墨的電阻和磁阻隨溫度變化的關(guān)系。

相關(guān)研究成果以“通過石墨烯螺旋的一維到二維的生長將手性轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)角”（Conversion of Chirality to Twisting via 1D-to-2D Growth of Graphene Spirals）為題發(fā)表在國際知名期刊Nature Materials上。

深理工、深圳先進院丁峰、上?？萍即髮W(xué)Zhu-Jun Wang、中國人民大學(xué)季威和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)Marc-Georg Willinger為本文的通訊作者，上海科技大學(xué)的Zhu-Jun Wang、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的孔瀟、中國科學(xué)院物理所的黃元與上海科技大學(xué)的李軍為文章的第一作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“率先行動”計劃、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。

審核編輯：劉清