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盘点:回顾近年在nature/science上发表的关于石墨烯的文章


来源:材料人

[导读]  石墨烯一直是nature/science的研究热点,本文整理了17篇近些年来发表在nature/science的文章。

中国粉体网讯  石墨烯一直是nature/science的研究热点,下面为大家梳理一下近些年来发表在nature/science上的文章。


1.Science:检测固态系统中电子间相互作用的“指纹”




美国国家标准与技术研究院的J. A. Stroscio(通讯作者)等人利用隧道测量技术成功地将环形石墨烯谐振器中空间约束和磁约束之间的相互影响可视化,并直接观测到了电子相互作用的痕迹。石墨烯是一种表面暴露大量电子的二维材料,因此被认为是研究外加场中能级变化的理想材料。研究人员首先将石墨烯器件冷却到绝对零度左右,以便创造量子点-小岛作为人工原子,在强度为1特斯拉的磁场中,量子点中的电子堆积更加紧密,相互作用也被加强,最终这些电子将被以导电-绝缘同心环交替的形式进行重排。通过扫描隧道显微镜,不同电子能级的同心环图像被堆放在一起最终实现婚礼蛋糕型结构。因此这一研究为极端条件下观测和了解量子-相对物质的行为提供了有效的方法。2018年8月24日,相关成果以题为“Interaction-driven quantum Hall wedding cake–like structures in graphene quantum dots”在线发表在Science上。


文献链接:Interaction-driven quantum Hall wedding cake–like structures in graphene quantum dots(Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar2014)


2.Nature:石墨烯纳米带的拓扑能带工程



美国加州大学伯克利分校的Steven G. Louie教授、Michael F. Crommie教授和Felix R. Fischer教授(共通通讯作者)在国际著名期刊Nature发表了一篇题为“Topological band engineering of grapheme nanoribbons”的研究性文章。在该文中,研究人员报道了拓扑工程修饰GNR超晶格的合理设计和实验实现,从而产生了难以获得的电子结构;此外,该策略还能将新的终态直接设计到一维GNR超晶格的末端。原子级精确的拓扑GNR超晶格由Au(111)表面上的分子前体在超高真空条件下合成,并通过低温扫描隧道显微镜(STM)和光谱学得以表征。实验结果和第一性原理计算表明,该GNR超晶格的边界能带结构(满带和空带)完全由相邻拓扑界面态之间的耦合所定义,这种非凡的一维拓扑相为基于电子拓扑学一维材料的能带精确调控提供了一种途径,同时其也是一种有前景的一维量子自旋物理学研究平台。


文献链接:Topological band engineering of grapheme nanoribbons(Nature,2018,DOI:10.1038/s41586-018-0376-8)


3.Nature:石墨烯氮微谐振器中的栅极可调谐频梳



来自成都电子科技大学的姚佰承(通讯作者)的团队在Nature发表了题为Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators的文章,通过将栅极可调光导与氮化硅光子微谐振器耦合,从而通过改变费米能级来调制其二阶和更高阶色散来证明石墨烯基光学频率梳的门控腔内可调谐性。他们实现了双层离子凝胶门控晶体管,以在单电压电平控制下调节石墨烯0.45-0.65电子伏特范围内的费米能级。他们进一步证明了从周期性孤子晶体到具有缺陷的晶体的电压可调谐转换,这种结合了单原子层纳米科学和超快光电子的异质石墨烯微腔将有助于提高我们对动态频率梳和超快光学的理解。


4.Nature:石墨烯纳米带



北京时间2018年5月31日,Nature在线发表了英国牛津大学材料系Lapo Bogani(通讯作者)团队题为“Magnetic edge states and coherent manipulation of graphene nanoribbons”的文章,通过稳定的自旋轴承基团功能化分子石墨烯纳米带,研究解决了其研究进程中的两大问题。实验观察到预测的非局域磁边缘状态,并测试了自旋动力学和自旋-环境相互作用的理论模型。与非石墨化的参考材料相比,能够清楚地识别自由基功能化石墨烯纳米带的特征行为。研究量化了自旋轨道耦合的参数,定义了相互作用模式,并确定了自旋退相干通道。即使没有任何优化,自旋相干时间能够在室温下的微秒范围内,实现边缘和自由基自旋之间的量子反演操作。该课题提供了一种在石墨烯纳米带实验中测试磁性理论的方法。研究观察到的相干时间开辟了在量子自旋电子器件中使用磁性纳米带的新里程碑。


文献链接:Magnetic edge states and coherent manipulation of graphene nanoribbons(Nature,2018,DOI: 10.1038/s41586-018-0154-7)


5.Science:实现镍上石墨烯原子吸附的实时成像




北京时间2018年3月16日,Science在线发表了的里雅斯特大学Maria Peressi、国家研究委员会(CNR)TASC的Cristina Africh(共同通讯)等人题为“Real-time imaging of adatom-promoted graphene growth on nickel”的文章。该研究从实验和理论上证明了在镍(Ni)上石墨烯生长的技术相关过程中单金属吸附原子所起的催化作用。通过在毫秒时间尺度扫描隧道显微镜成像直接捕获单个Ni原子在生长的石墨烯薄片边缘处的催化作用,而力场分子动力学和密度泛函理论计算使实验观察合理化。石墨烯在金属表面上的生长可以由流动表面金属原子催化。高温导致碳扩散到表面,其中流动的镍原子催化边缘上的石墨烯生长。研究结果揭示了控制单原子催化剂活性的机制。


6.Nature:石墨烯中的新电子态



在美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授(通讯作者)团队和曹原(第一作者)的带领下,与美国哈佛大学,日本国立材料科学研究所合作,报道了当两个石墨烯片材扭曲接近理论预测的“魔角”时,由于强的层间耦合,产生的电荷中性附近的能带结构变得平坦。这些扁平带在半填充时表现出绝缘状态,产生的新电子态是Mott绝缘体态,来源于电子之间的强排斥作用。魔角扭曲双层石墨烯的独特性质可能为无磁场的二维平台上的多体量子相位开启新的运动场。相关成果以题为“Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices”发表在了Nature上。


文献链接: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规超导性



美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授(通讯作者)和曹原(第一作者)团队的带领下,与美国哈佛大学,日本国立材料科学研究所合作,报道了堆叠具有小扭曲角的两个石墨烯片中二维超晶格,产生一种全新的电子态——超导态。当旋转角度小到魔角时(<1.05°),扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带,电子相互作用效应增项,从而产生非导电的Mott绝缘态。在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子,就可以成功转变为超导态。相关成果以题为“Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices”发表在了Nature上。


文献链接:Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices(Nature, 2018, DOI: 10.1038/nature26160)


8.Science:双层石墨烯中的可调激子



美国康奈尔大学的Paul L. McEuen(通讯作者)、加州大学伯克利分校的王枫副教授(通讯作者)以及哥伦比亚大学的James Hone(通讯作者)等人在氮化硼中包覆高质量BLG,利用其光电流谱学观察到了BLG中显著的激子共振现象。这一现象具有窄线宽的特点,其从中红外到太赫兹范围均是可调的。这些激子所遵循的光学选择规则与传统半导体的激子截然不同,其电子赝自旋绕组数达到2。不仅如此,外磁场作用还可引发能谷-激子的分裂,其g因子可达20左右。这些现象的发现为探索电学可调石墨烯系统的激子物理学提供了功能性。该工作以 “Tunable excitons in bilayer graphene”为题发表在2017年11月17日的Science上。


文献链接:Tunable excitons in bilayer graphene(Science, 2017, DOI: 10.1126/science. aam9175)


9.Nature:氧化石墨烯膜通过阳离子控制层间距实现离子筛分



中国科学院上海应用物理研究所方海平、Jingye Li、上海大学吴明红团队、南京工业大学金万勤团队(共同通讯)等人使用K +,Na+,Ca2+,Li+或Mg2+离子显示了利用阳离子控制层间距精确订装氧化石墨烯膜,表现出优异的离子筛分和海水淡化性能。此外,由一种类型阳离子控制的膜间距可以有效地选择性地排除具有较大水合体积的其它阳离子。第一性原理计算和紫外吸收光谱表明,最稳定的阳离子吸附位置是氧化物基团和芳环共存的地方。密度泛函理论计算表明,与Na+相比,其他阳离子应该具有比石墨烯片更强的阳离子-π相互作用。上述内容以题为“Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing”发表在了Nature上。


文献链接:Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing(Nature,2017,DOI:doi:10.1038/nature24044)


10.Science:基于环形石墨烯谐振器中的几何相位开关



美国国家标准与技术研究所Joseph A. Stroscio教授(通讯作者)团队研究发现,通过通过特殊的几何相位可以诱导出一些有趣的光谱特征:在相对较小的临界磁场情况下,环形石墨烯P-N结共振器的角动量的能量会突然大幅增加。这种现象源于π几何相位的变化,同时也和石墨烯中的狄拉克费米子的拓扑性质有关。几何相位可以在很小的磁场调控变化下控制和切换开关状态,这也为未来石墨烯光电器件的应用奠定了一定的基础。


文献链接:An on/off Berry phase switch in circular graphene resonators(Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal0212)


11.Science:石墨烯增强椭圆偏振光激发高次谐波产生



京都大学的Naotaka Yoshikawa教授(通讯作者)和Koichiro Tanaka教授(通讯作者)等人研究发现,在室温,中红外脉冲激光的激发下石墨烯中最多可以观察到九次谐波,通过椭圆偏振激光器激发可以增强石墨烯中的HHG,产生的谐波辐射也会发生极化。实验中观察到椭圆率的依赖关系可以通过固体中的量子力学来处理以及理论计算仿真。石墨烯零带隙也使得石墨烯中的HHG有着独特的特点。实验结果为进一步研究强场,超快动力学以及狄拉克费米子的非线性行为奠定了基础。


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


12.Nature: 通过石墨烯实现远距离外延生长,可高效高质量的转移二维材料



麻省理工学院 (MIT) 的Jeehwan Kim (通讯作者) 等人在Nature 杂志上发表了一篇题为“Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer”的文章。该文章报道了在石墨烯夹层存在下,仍可实现在GaAs基底上同质外延生长GaAs层的工作。通过密度泛函理论计算发现在一定距离内,两GaAs晶面间隙中仍存在电子分布。且实验结果表明,石墨烯较弱的范德华势不能完全屏蔽基底和外延层间的相互作用,从而实现了在单层石墨烯夹层存在下远距离同质外延生长GaAs,InP和GaP。该方法生长的GaAs等材料为高质量单晶,且石墨烯夹层的存在使外延层可以快速完整的从基底剥离。用该方法制备的AlGaInP-GaInP 双异质结LEDs的性能也可与直接在GaAs基底上外延生长制备的LEDs相匹敌。


文献链接:Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer (Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature22053)


13.Nature:诺奖得主笔下的石墨烯蓝图!



近年来,石墨烯(第一种二维原子晶体)研究取得了许多突破,石墨烯的大量制备也取得了显著的进展。这种一个原子厚度的碳材料集超高的机械强度、电导率、热导率和抗渗性等诸多优异性能于一身,这使得其在许多领域中都有诱人的应用前景。因在石墨烯材料方面的卓越研究荣获2010年诺贝尔物理学奖的K. S. Novoselov等应邀撰写了一篇有关石墨烯最新进展的Review,该综述以“A roadmap for graphene ”为题发表在2012年10月11日出版的Nature期刊上。这篇Review回顾了石墨烯研究的最新进展,综述了制备方法的发展,同时批判地分析了石墨烯的各种应用的可行性。下面让我们来一睹为快吧!


文献链接:A roadmap for graphene (Nature, 2012, DOI: 10.1038/nature11458)


14.Science:斯坦福大学研究人员在石墨烯/六方氮化硼异质结研究中取得新进展



来自美国斯坦福大学的David Goldhaber-Gordon(通讯作者)等通过测量同一磁场中相邻触体间的轨道运输,被称作横向电子聚焦效应,来研究moiré微能带中电子的动力学特征。在低温下,研究人员观察到跃迁轨道的焦散线在数以百计的超晶格周期方向延展,为连续微能带逆转了回旋加速器的回旋,终止了在范霍夫奇点附近的回旋运动。在高温下,电子与电子间的碰撞抑制了聚焦。研究这类微能带的传导性能在设计超晶格器件中新型的运输行为很有必要。


文献链接:Ballistic miniband conduction in a graphene superlattice(Science, 2016, DOI: 10.1126/ science.aaf1095)


15.Science:弹道石墨烯P-N结处的电子光学现象



美国哥伦比亚大学的Shaowen Chen,Zheng Han和Cory R. Dean(共同通讯作者)等提出使用横向电磁聚焦来研究载流子在石墨烯电调制石墨烯P-N结处的传播。经研究发现,电子在该界面处观察到的正反射和负反射均满足斯涅耳定律,此外,研究人员还利用P-N结处的共振透射直接测定电子反射角度与透射系数之间的关系。


文献连接 :Electron optics with p-n junctions in ballistic grapheme (Science,2016,DOI: 10.1126/science. aaf5481)


16.Science:微波还原法1秒制备高质量石墨烯!



来自美国罗格斯大学的Manish Chhowalla教授(通讯作者)等在Science上发表论文,报道了一种采用仅需1-2秒的微波法制备出高质量石墨烯。该方法制备得到的石墨烯材料作为场效应晶体管中的通道材料可以实现电子迁移率大于 1000m2/V/s,并且作为催化剂载体材料表现出优异的析氧催化性能。


文献链接:High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide ( Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah3398)


17.Science:纳米复合材料与半无限石墨烯在有限板内的包覆



美国麻省理工学院化学工程系 Michael S. Strano等人使用堆叠的方法来生产对齐的石墨烯/聚碳酸酯复合材料,该材料由320个约0.032mm - 0.11mm厚的平行层组成,显著增加了有效的弹性模量和强度,而且体积分数仅为0.082%。类似的横向剪切滚动的方法生成了阿基米德螺旋纤维,得到可伸缩的断裂伸长率为110%,大于芳纶的30倍之多。该复合材料保留了沿石墨烯平面轴导电的各向异性。在大量减少体积分数的情况下这些复合材料可以保证高机械强度,电学和光学性能。


文章链接:Layered and scrolled nanocomposites with aligned semi-infinite graphene inclusions at the platelet limit(Science,2016,DOI: 10.1126/science.aaf4362)


(中国粉体网编辑整理/青禾)

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