单层石墨烯一维褶皱到扭转角可控的多层石墨烯的转变机理

近年来，转角石墨烯受到国内外研究者的广泛关注。转角石墨烯所具有的大周期莫尔晶格（Moiré pattern）及其所带来的能带折叠效应可以诱导出丰富、新奇的电子结构。尤其是在一些特殊的小角度上，电子结构中所出现的平带会衍生出很多不寻常的现象，如超导、强关联、自发铁磁性等。

目前绝大多数研究采用机械剥离和逐层转移的物理方法对转角石墨烯样品进行制备，然而，该方法存在条件苛刻、产出率低、界面污染等一系列问题。为发展更加高效的制备技术，研究者们通过对化学气相沉积法中衬底的设计，陆续突破了几种类型的转角石墨烯的规模化制备难题。然而在对多层石墨烯的转角周期的可控制备方面，并没有比较普适的解决办法。

近日，来自深圳理工大学（筹）、中国科学院深圳先进技术研究院、上海科技大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国人民大学和德国慕尼黑工业大学的研究者们寻找到了一种石墨烯的折纸方法，可以实现高层间周期的转角石墨烯的可控制备。作者们发现，铂金表面生长的石墨烯会形成一定的褶皱，褶皱长大后向两旁倒下，并在一些位置撕裂形成一个四重的螺旋位错中心。褶皱倒下时会折叠其一侧的石墨烯，带来与褶皱的“手性”角（也就是褶皱的方向与石墨烯晶向的夹角）具有两倍关系的单层转角。作者们称之为“一维手性到二维转角的转化关系”，并利用折纸模型对该现象进行了形象的演示。

图1：石墨烯折纸现象的记录与演示，其中(a-d)原位ESEM实验所记录的褶皱形成、倒下和再生长的过程；（e-h）相应过程的示意图；（i-l）利用折纸模型演示褶皱的形成、倒下和再生长。

图2：螺旋位错附近的再生长过程，其中(a-d)原位SEM实验所记录的多个反向螺旋位错附近的再生长过程；（e-h）动力学蒙特卡洛对该过程的模拟演示；（i）原子尺度分辨率STM所表征的石墨烯褶皱“手性”角；（j-l）利用折纸模型演示褶皱倒下时形成的螺旋位错及下层石墨烯出现的转角。（m-t）螺旋位错再生长所带来的四层周期转角结构示意图。

作者们进一步研究了所形成的螺旋位错再生长带来的新奇现象，并发现各层石墨烯会随着再生长形成具有周期性的四层转角结构，其中第1、3层与原始石墨烯的晶向相同，而2、4层的晶向由褶皱手性角所决定。作者们因此提出了一种新的周期转角多层石墨烯的制备方法：通过控制石墨烯褶皱形成的方向，制备具有特殊层间转角周期的多层石墨烯。该方法也可用于多种可以形成褶皱的其他二维材料。

图3：石墨烯螺旋的再生长和合并，其中（a-f）原位ESEM实验所记录的褶皱出现到最终生长成多层转角石墨烯的全过程；（g）TEM表征下的多层转角石墨烯；（h）原子分辨率的多层转角石墨烯表征图；(i-k)）动力学蒙特卡洛对该过程的模拟。

图4：多层螺旋石墨烯和多层堆垛石墨输运性质的区别，（a）原子力显微镜观察到的螺旋位错中心；（b-d）输运性质检测时的实验设置；（e-g）多层螺旋石墨烯和多层堆垛石墨的电阻和磁阻随温度变化的关系。

相关研究成果以“通过石墨烯螺旋的一维到二维的生长将手性转化为转角”（Conversion of Chirality to Twisting via 1D-to-2D Growth of Graphene Spirals）为题发表在国际知名期刊Nature Materials上。

深理工、深圳先进院丁峰、上海科技大学Zhu-Jun Wang、中国人民大学季威和德国慕尼黑工业大学Marc-Georg Willinger为本文的通讯作者，上海科技大学的Zhu-Jun Wang、中国科学院上海微系统与信息技术研究所的孔潇、中国科学院物理所的黄元与上海科技大学的李军为文章的第一作者。该研究获得了国家自然科学基金、中国科学院“率先行动”计划、国家重点研发计划等项目的支持。

审核编辑：刘清