学术前沿
王者归来 石墨烯今年已发6篇Nature/Science
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详细介绍
石墨烯又被称为“黑金”、“新材料之王”，被誉为改变21世纪的“神奇材料”，不仅在航空航天、太阳能利用、纳米、电子学、生物医疗、复合型材料等领域有广泛运用，而且在我们服饰、日用品等也独具商业应用潜能。2010年诺贝尔物理学奖授予对石墨烯研究做出杰出贡献的英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃索洛夫。作为21世纪“神奇材料”，石墨烯必将会给人类的生活带来巨大改变，对世界产生颠覆性的影响。本文总结了今年Science和Nature杂志上关于石墨烯领域的突破性成果，和大家一起交流探讨。
1、Nature: 快速合成克级石墨烯
美国莱斯大学Rouzbeh Shahsavari教授团队、Boris I. Yakobson教授团队和James M. Tour教授团队展示了通过焦耳加热廉价碳源——如煤、石油焦、生物炭、炭黑、废弃食品、橡胶轮胎和混合塑料废物，可以在不到一秒的时间内合成大量的石墨烯。该产品以其生产工艺命名为快速制备的石墨烯（FG），显示了在堆叠的石墨烯层之间的涡轮增压排列。快速合成工艺不需要加热炉，不需要溶剂以及反应性气体。而产量取决于原料的碳含量，当使用高碳源，如炭黑、无烟煤或煅烧过的焦炭时，产量可达80%-90%，纯度大于99%，且无需任何净化处理。拉曼光谱分析显示FG存在一个低强度或缺失的D谱带，这表明FG具有极低的缺陷浓度，并证实了FG的涡轮应变堆积。FG层的无序取向有利于其在复合材料形成过程中混合后迅速剥落。合成FG的电能成本仅为每克7.2千焦，这使得FG适合用于塑料、金属、胶合板、混凝土和其它复合材料。文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-1938-0
2、Nature: 质子辅助生长的超平滑石墨烯薄膜
南京大学高力波教授团队开发了一种质子辅助的化学气相沉积方法来生长无褶皱的超光滑石墨烯薄膜。质子穿透和复合形成氢的方法可以减少石墨烯在传统化学气相沉积过程中形成的褶皱。由于范德华力相互作用的去耦合，以及与生长表面距离的增加，使一些褶皱完全消失了。石墨烯薄膜的电子带结构呈V形狄拉克锥，原子平面内或原子台阶间呈线性色散关系，证实了与衬底间的去耦合作用。石墨烯薄膜的超光滑特性确保了其表面在湿法转移后易于清洁。在线宽为100微米的器件中，即使在室温下也会出现较强的量子霍尔效应。用质子辅助化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜能在很大程度上保持其固有性能，该方法应可推广到其它二维材料上。文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1870-3
3、Nature: 单晶复合氧化物膜的异质集成
美国麻省理工学院Jeehwan Kim教授和威斯康辛大学麦迪逊分校Chang-BeomEom教授团队演示了一种通用的机械剥离方法，用以生产独立的单晶膜，包括各种具有不同晶体取向的钙钛矿，尖晶石和石榴石晶体结构的各种复杂的氧化复合物。此外，研究人员制备了人工异质结构，并通过直接堆叠这种具有不同晶体结构和取向的独立式薄膜来杂化它们的物理性质，这是传统方法无法做到的。该研究结果建立了一个类似于二维材料异质结构的叠加和耦合三维结构的平台，用以增强器件的性能。文献链接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-1939-z
4、Nature: 莫尔超晶格中可调谐的关联陈氏绝缘体和铁磁性
复旦大学张远波教授团队、劳伦斯伯克利国家实验室/加州大学伯克利分校王枫教授团队、SLAC国家加速器实验室David Goldhaber-Gordon团队联合报告了在ABC-TLG/hBN莫尔超晶格中相关的陈氏绝缘子的观察实验。结果表明，反向施加垂直电场可以使ABC-TLG/hBN的莫尔微带在零和有限的陈数之间发生变化，这与磁输运行为的变化有关。对于调整为具有有限的陈数的拓扑空穴微带，研究人员关注于四分之一填充，对应于一个空穴。霍尔电阻在h/2e2(其中h是普朗克常数，e是电子上的电荷)处被很好地量子化了，这意味着对于超过0.4特斯拉的磁场，C = 2。相关的陈氏绝缘子是铁磁性的，在零磁场下表现出明显的磁滞和一个大的反常的霍尔信号。研究人员在零磁场条件下发现了C = 2的陈氏绝缘子，这将为后期探索发现相关联的拓扑状态提供可能性。文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2049-7
5、Nature: 石墨烯的气体渗透性极限
英国曼彻斯特大学诺奖得主A. K. Geim教授团队使用小的石墨烯密封的单晶容器，研究发现无缺陷的石墨烯是不透水的，其精确度比之前的研究高出8-9个数量级。研究人员能够辨别出每小时只有几个氦原子的渗透，这个检测限也适用于除了氢的所有其他测试气体（氖、氮、氧、氩、氪和氙）。尽管氢分子比氦分子大，并且要经历一个更高的能量屏障，但它仍表现出明显的渗透。这异常的结果归因于两阶段的过程，涉及在高催化活性的石墨烯波纹处解离氢气分子，紧随其后的是吸附的氢原子以相对较低的活化能跃迁到石墨烯片的另一侧。该研究工作为二维材料的抗渗性提供了一个关键的参考，从基础研究的角度和它们的潜在应用都具有重要意义。文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2070-x
6、Science: SrTiO3基底上石墨烯的螺旋量子霍尔相
法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Benjamin Sacépé教授团队通过适当地增加库仑相互作用以及将具有高介电常数的钛酸锶（SrTiO3）为基底，将石墨烯零级朗道能级的基态调整到拓扑相。利用这一方法，在低至1特斯拉的磁场中出现了显著的螺旋边缘传输，并且在微米长的距离上可承受的温度高达110开尔文。该研究对于探索基于螺旋边缘构造的超导近似结构中的零能量模式具有重要的意义，通过hBN间隔层厚度可调的基底筛选工程可能会对其它相关二维系统产生影响。这个通用的石墨烯平台可以在自旋电子学和拓扑量子计算中发挥作用。文献链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6479/781
消息来源：
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