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西安交大發(fā)現(xiàn)石墨烯邊緣自發(fā)縫合現(xiàn)象
2025年12月03日 10:26:56
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：楊 點擊量：2101
令人驚奇的是，在新制備的雙層石墨烯邊緣上，研究團隊首次觀察到自發(fā)縫合現(xiàn)象：上下兩層邊緣的瞬態(tài)碳自由基在極短時間內(nèi)自發(fā)鍵合，形成完美無懸鍵的半管狀封閉結(jié)構(gòu)。
近日，西安交通大學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在國際期刊《納米快報》(Nano Letters)上發(fā)表題為“Spontaneous Closing of Torn Bilayer Graphene Edges via a Self-Healing Mechanism”的研究論文，揭示了石墨烯邊緣結(jié)構(gòu)的一種自修復行為，為未來納米器件的精準設計與性能調(diào)控開辟了新路徑。
研究團隊在極端實驗條件下——超高真空(<10?? Pa)與極低溫(4.5 K)環(huán)境中，利用掃描隧道顯微鏡(STM)針尖作為原子級“加工刀”，通過場蒸發(fā)效應在雙層石墨烯上精準制備出具有特定晶體取向的邊緣結(jié)構(gòu)，包括鋸齒型(zigzag)和扶手椅型(armchair)邊界。
令人驚奇的是，在新制備的雙層石墨烯邊緣上，研究團隊首次觀察到自發(fā)縫合現(xiàn)象：上下兩層邊緣的瞬態(tài)碳自由基在極短時間內(nèi)自發(fā)鍵合，形成完美無懸鍵的半管狀封閉結(jié)構(gòu)。這一過程如同材料在原子尺度上實現(xiàn)了“自我修復”，使得原本活性高、不穩(wěn)定的邊緣變得結(jié)構(gòu)完整且化學惰性。
石墨烯邊緣的結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)直接影響其電學、磁學和化學性能。傳統(tǒng)制備的石墨烯邊緣常存在懸鍵，導致穩(wěn)定性差、易團聚、性能衰減。該研究發(fā)現(xiàn)的“自發(fā)縫合”機制提供了一種獲得穩(wěn)定邊緣結(jié)構(gòu)的新途徑，為邊緣態(tài)調(diào)控與功能化奠定了實驗基礎。
鋸齒型邊緣具有特殊的磁學與電子學性質(zhì)，是構(gòu)筑自旋電子器件和拓撲量子器件的理想平臺。自發(fā)形成的半管狀封閉結(jié)構(gòu)不僅消除了懸鍵帶來的干擾，還可能引入新的邊界電子態(tài)，為設計新型低維量子器件提供了結(jié)構(gòu)原型。
該現(xiàn)象展示了一種在低維碳材料中存在的本征自愈行為，為理解低維材料的穩(wěn)定性與反應動力學提供了新視角，也為其他二維材料的邊緣工程與缺陷修復帶來啟示。
潘毅教授課題組的這項工作，不僅首次在實驗上實現(xiàn)了雙層石墨烯邊緣的自發(fā)完美閉合，更從物理機制上揭示了二維材料邊緣結(jié)構(gòu)的一種內(nèi)在自組織能力。該發(fā)現(xiàn)未來有望應用于高性能納米電子器件、量子信息材料和化學傳感等領域，推動石墨烯及相關二維材料從基礎研究走向功能化應用。
參考資料來源：中國科學報
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