中國粉體網(wǎng)訊  石墨烯一直是nature/science的研究熱點，下面為大家梳理一下近些年來發(fā)表在nature/science上的文章。

1.Science:檢測固態(tài)系統(tǒng)中電子間相互作用的“指紋”

美國國家標準與技術研究院的J. A. Stroscio（通訊作者）等人利用隧道測量技術成功地將環(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，因此被認為是研究外加場中能級變化的理想材料。研究人員首先將石墨烯器件冷卻到絕對零度左右，以便創(chuàng)造量子點-小島作為人工原子，在強度為1特斯拉的磁場中，量子點中的電子堆積更加緊密，相互作用也被加強，最終這些電子將被以導電-絕緣同心環(huán)交替的形式進行重排。通過掃描隧道顯微鏡，不同電子能級的同心環(huán)圖像被堆放在一起最終實現(xiàn)婚禮蛋糕型結構。因此這一研究為極端條件下觀測和了解量子-相對物質的行為提供了有效的方法。2018年8月24日，相關成果以題為“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：石墨烯納米帶的拓撲能帶工程

美國加州大學伯克利分校的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，研究人員報道了拓撲工程修飾GNR超晶格的合理設計和實驗實現(xiàn)，從而產(chǎn)生了難以獲得的電子結構；此外，該策略還能將新的終態(tài)直接設計到一維GNR超晶格的末端。原子級精確的拓撲GNR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）和光譜學得以表征。實驗結果和第一性原理計算表明，該GNR超晶格的邊界能帶結構（滿帶和空帶）完全由相鄰拓撲界面態(tài)之間的耦合所定義，這種非凡的一維拓撲相為基于電子拓撲學一維材料的能帶精確調控提供了一種途徑，同時其也是一種有前景的一維量子自旋物理學研究平臺。

文獻鏈接：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諧頻梳

來自成都電子科技大學的姚佰承（通訊作者）的團隊在Nature發(fā)表了題為Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators的文章，通過將柵極可調光導與氮化硅光子微諧振器耦合，從而通過改變費米能級來調制其二階和更高階色散來證明石墨烯基光學頻率梳的門控腔內可調諧性。他們實現(xiàn)了雙層離子凝膠門控晶體管，以在單電壓電平控制下調節(jié)石墨烯0.45-0.65電子伏特范圍內的費米能級。他們進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諧轉換，這種結合了單原子層納米科學和超快光電子的異質石墨烯微腔將有助于提高我們對動態(tài)頻率梳和超快光學的理解。

4.Nature：石墨烯納米帶

北京時間2018年5月31日，Nature在線發(fā)表了英國牛津大學材料系Lapo Bogani（通訊作者）團隊題為“Magnetic edge states and coherent manipulation of graphene nanoribbons”的文章，通過穩(wěn)定的自旋軸承基團功能化分子石墨烯納米帶，研究解決了其研究進程中的兩大問題。實驗觀察到預測的非局域磁邊緣狀態(tài)，并測試了自旋動力學和自旋-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，自旋相干時間能夠在室溫下的微秒范圍內，實現(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驗中測試磁性理論的方法。研究觀察到的相干時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。

文獻鏈接：Magnetic edge states and coherent manipulation of graphene nanoribbons（Nature,2018,DOI: 10.1038/s41586-018-0154-7）

5.Science：實現(xiàn)鎳上石墨烯原子吸附的實時成像

北京時間2018年3月16日，Science在線發(fā)表了的里雅斯特大學Maria Peressi、國家研究委員會(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。該研究從實驗和理論上證明了在鎳（Ni）上石墨烯生長的技術相關過程中單金屬吸附原子所起的催化作用。通過在毫秒時間尺度掃描隧道顯微鏡成像直接捕獲單個Ni原子在生長的石墨烯薄片邊緣處的催化作用，而力場分子動力學和密度泛函理論計算使實驗觀察合理化。石墨烯在金屬表面上的生長可以由流動表面金屬原子催化。高溫導致碳擴散到表面，其中流動的鎳原子催化邊緣上的石墨烯生長。研究結果揭示了控制單原子催化劑活性的機制。

6.Nature：石墨烯中的新電子態(tài)

在美國麻省理工學院P. Jarillo-Herrero教授（通訊作者）團隊和曹原（第一作者）的帶領下，與美國哈佛大學，日本國立材料科學研究所合作，報道了當兩個石墨烯片材扭曲接近理論預測的“魔角”時，由于強的層間耦合，產(chǎn)生的電荷中性附近的能帶結構變得平坦。這些扁平帶在半填充時表現(xiàn)出絕緣狀態(tài)，產(chǎn)生的新電子態(tài)是Mott絕緣體態(tài)，來源于電子之間的強排斥作用。魔角扭曲雙層石墨烯的獨特性質可能為無磁場的二維平臺上的多體量子相位開啟新的運動場。相關成果以題為“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)超導性

美國麻省理工學院P. Jarillo-Herrero教授（通訊作者）和曹原（第一作者）團隊的帶領下，與美國哈佛大學，日本國立材料科學研究所合作，報道了堆疊具有小扭曲角的兩個石墨烯片中二維超晶格，產(chǎn)生一種全新的電子態(tài)——超導態(tài)。當旋轉角度小到魔角時（<1.05°），扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區(qū)域會形成窄電子能帶，電子相互作用效應增項，從而產(chǎn)生非導電的Mott絕緣態(tài)。在Mott絕緣態(tài)情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉變?yōu)槌瑢�態(tài)。相關成果以題為“Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices”發(fā)表在了Nature上。

文獻鏈接：Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices（Nature, 2018, DOI: 10.1038/nature26160）

8.Science:雙層石墨烯中的可調激子

美國康奈爾大學的Paul L. McEuen（通訊作者）、加州大學伯克利分校的王楓副教授（通訊作者）以及哥倫比亞大學的James Hone（通訊作者）等人在氮化硼中包覆高質量BLG，利用其光電流譜學觀察到了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，其從中紅外到太赫茲范圍均是可調的。這些激子所遵循的光學選擇規(guī)則與傳統(tǒng)半導體的激子截然不同，其電子贗自旋繞組數(shù)達到2。不僅如此，外磁場作用還可引發(fā)能谷-激子的分裂，其g因子可達20左右。這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為探索電學可調石墨烯系統(tǒng)的激子物理學提供了功能性。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離子控制層間距實現(xiàn)離子篩分

中國科學院上海應用物理研究所方海平、Jingye Li、上海大學吳明紅團隊、南京工業(yè)大學金萬勤團隊（共同通訊）等人使用K ⁺，Na⁺，Ca2⁺，Li⁺或Mg²⁺離子顯示了利用陽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離子。第一性原理計算和紫外吸收光譜表明，最穩(wěn)定的陽離子吸附位置是氧化物基團和芳環(huán)共存的地方。密度泛函理論計算表明，與Na⁺相比，其他陽離子應該具有比石墨烯片更強的陽離子-π相互作用。上述內容以題為“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

美國國家標準與技術研究所Joseph A. Stroscio教授（通訊作者）團隊研究發(fā)現(xiàn)，通過通過特殊的幾何相位可以誘導出一些有趣的光譜特征：在相對較小的臨界磁場情況下，環(huán)形石墨烯P-N結共振器的角動量的能量會突然大幅增加。這種現(xiàn)象源于π幾何相位的變化，同時也和石墨烯中的狄拉克費米子的拓撲性質有關。幾何相位可以在很小的磁場調控變化下控制和切換開關狀態(tài)，這也為未來石墨烯光電器件的應用奠定了一定的基礎。

文獻鏈接：An on/off Berry phase switch in circular graphene resonators（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal0212）

11.Science：石墨烯增強橢圓偏振光激發(fā)高次諧波產(chǎn)生

京都大學的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)可以增強石墨烯中的HHG，產(chǎn)生的諧波輻射也會發(fā)生極化。實驗中觀察到橢圓率的依賴關系可以通過固體中的量子力學來處理以及理論計算仿真。石墨烯零帶隙也使得石墨烯中的HHG有著獨特的特點。實驗結果為進一步研究強場，超快動力學以及狄拉克費米子的非線性行為奠定了基礎。

文獻鏈接：High-harmonic generation in graphene enhanced by elliptically polarized light excitation（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam8861）

12.Nature: 通過石墨烯實現(xiàn)遠距離外延生長，可高效高質量的轉移二維材料

麻省理工學院 (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。該文章報道了在石墨烯夾層存在下，仍可實現(xiàn)在GaAs基底上同質外延生長GaAs層的工作。通過密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)在一定距離內，兩GaAs晶面間隙中仍存在電子分布。且實驗結果表明，石墨烯較弱的范德華勢不能完全屏蔽基底和外延層間的相互作用，從而實現(xiàn)了在單層石墨烯夾層存在下遠距離同質外延生長GaAs，InP和GaP。該方法生長的GaAs等材料為高質量單晶，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 雙異質結LEDs的性能也可與直接在GaAs基底上外延生長制備的LEDs相匹敵。

文獻鏈接：Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer (Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature22053)

13.Nature：諾獎得主筆下的石墨烯藍圖！

近年來，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展。這種一個原子厚度的碳材料集超高的機械強度、電導率、熱導率和抗?jié)B性等諸多優(yōu)異性能于一身，這使得其在許多領域中都有誘人的應用前景。因在石墨烯材料方面的卓越研究榮獲2010年諾貝爾物理學獎的K. S. Novoselov等應邀撰寫了一篇有關石墨烯最新進展的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展，綜述了制備方法的發(fā)展，同時批判地分析了石墨烯的各種應用的可行性。下面讓我們來一睹為快吧！

文獻鏈接：A roadmap for graphene (Nature, 2012, DOI: 10.1038/nature11458)

14.Science：斯坦福大學研究人員在石墨烯/六方氮化硼異質結研究中取得新進展

來自美國斯坦福大學的David Goldhaber-Gordon（通訊作者）等通過測量同一磁場中相鄰觸體間的軌道運輸，被稱作橫向電子聚焦效應，來研究moiré微能帶中電子的動力學特征。在低溫下，研究人員觀察到躍遷軌道的焦散線在數(shù)以百計的超晶格周期方向延展，為連續(xù)微能帶逆轉了回旋加速器的回旋，終止了在范霍夫奇點附近的回旋運動。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性能在設計超晶格器件中新型的運輸行為很有必要。

文獻鏈接：Ballistic miniband conduction in a graphene superlattice（Science, 2016, DOI: 10.1126/ science.aaf1095）

15.Science：彈道石墨烯P-N結處的電子光學現(xiàn)象

美國哥倫比亞大學的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研究載流子在石墨烯電調制石墨烯P-N結處的傳播。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，電子在該界面處觀察到的正反射和負反射均滿足斯涅耳定律，此外，研究人員還利用P-N結處的共振透射直接測定電子反射角度與透射系數(shù)之間的關系。

文獻連接 ：Electron optics with p-n junctions in ballistic grapheme （Science，2016，DOI: 10.1126/science. aaf5481）

16.Science：微波還原法1秒制備高質量石墨烯！

來自美國羅格斯大學的Manish Chhowalla教授（通訊作者）等在Science上發(fā)表論文，報道了一種采用僅需1-2秒的微波法制備出高質量石墨烯。該方法制備得到的石墨烯材料作為場效應晶體管中的通道材料可以實現(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：納米復合材料與半無限石墨烯在有限板內的包覆

美國麻省理工學院化學工程系 Michael S. Strano等人使用堆疊的方法來生產(chǎn)對齊的石墨烯/聚碳酸酯復合材料，該材料由320個約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度，而且體積分數(shù)僅為0.082%。類似的橫向剪切滾動的方法生成了阿基米德螺旋纖維，得到可伸縮的斷裂伸長率為110%，大于芳綸的30倍之多。該復合材料保留了沿石墨烯平面軸導電的各向異性。在大量減少體積分數(shù)的情況下這些復合材料可以保證高機械強度，電學和光學性能。

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）

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青禾）