【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】原子級制造是未來原子尺度信息器件所需的關(guān)鍵技術(shù)。其中基于掃描探針顯微鏡的針尖操縱是原子級制造的一種重要手段，它可以實現(xiàn)單原子精度的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑和精準(zhǔn)調(diào)控，對石墨烯等二維材料則可以實現(xiàn)原子級精準(zhǔn)折疊。未來石墨烯器件的制備需要對晶圓級樣品進行原子級精度的圖案化，然而在所形成的新鮮邊緣上，原子重構(gòu)和雜質(zhì)吸附往往對器件輸運特性產(chǎn)生影響。石墨烯邊緣的原子級精度切割和邊緣結(jié)構(gòu)演化的微觀規(guī)律仍然是有待探索的科學(xué)問題。
針對這一難題，西安交通大學(xué)金屬材料強度全國重點實驗室自旋電子材料與量子器件中心潘毅教授課題組以掃描隧道顯微鏡(STM)針尖作為原子級加工的工具，實現(xiàn)了超高真空(<10-8 Pa)極低溫(4.5K)條件下基于針尖隧穿結(jié)場蒸發(fā)效應(yīng)的石墨烯特定取向邊緣制備，并在新制備的雙層的鋸齒型(zigzag)和扶手椅型(armchair)邊界上發(fā)現(xiàn)了出乎意料的自發(fā)縫合現(xiàn)象，即上下兩層邊緣瞬態(tài)碳自由基自發(fā)鍵合形成完美無懸鍵的半管狀封閉結(jié)構(gòu)。其掃描隧道譜局域電子結(jié)構(gòu)測量顯示范霍夫奇點(van Hove singularity)特征，證實這種封閉結(jié)構(gòu)與單層石墨烯翻折形成的半管狀邊界完全相同，其中armchair邊界的自縫和現(xiàn)象還會因一個鍵長的滑移形成鎖定的AA雙層堆垛結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)為高質(zhì)量石墨烯納米器件未來原子級制造工藝提供了一種可供利用的新機制。
此項研究成果以《雙層石墨烯雙層石墨烯撕裂邊緣自發(fā)封閉的自縫和機制》(Spontaneous Closing of Torn Bilayer Graphene Edges via a Self-Healing Mechanism)為題發(fā)表于《納米快報》(Nano letters)。西安交通大學(xué)金屬材料強度全國重點實驗室為該論文唯一完成單位，材料學(xué)院博士生李雪妍為論文第一作者，材料學(xué)院自旋電子材料與量子器件研究中心潘毅教授為通訊作者。
此外，團隊近期還利用STM原子操縱技術(shù)實現(xiàn)了單層石墨烯面內(nèi)滑移誘導(dǎo)的雙褶皺結(jié)構(gòu)及局域Kekulé型電子結(jié)構(gòu)調(diào)控(Carbon , 2025, 238, 120299)，多晶石墨烯疇界鼓泡極性翻轉(zhuǎn)調(diào)控(Carbon , 2026, 120890，in press)等二維材料原子級操控新方法。這些工作得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金面上項目及國家級青年人才項目的資助支持。
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