王者归来 石墨烯今年已发6篇Nature/Science

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石墨烯又被称为“黑金”、“新材料之王”，被誉为改变21世纪的“神奇材料”，不仅在航空航天、太阳能利用、纳米、电子学、生物医疗、复合型材料等领域有广泛运用，而且在我们服饰、日用品等也独具商业应用潜能。2010年诺贝尔物理学奖授予对石墨烯研究做出杰出贡献的英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃索洛夫。作为21世纪“神奇材料”，石墨烯必将会给人类的生活带来巨大改变，对世界产生颠覆性的影响。本文总结了今年Science和Nature杂志上关于石墨烯领域的突破性成果，和大家一起交流探讨。

美国莱斯大学Rouzbeh Shahsavari教授团队、Boris I. Yakobson教授团队和James M. Tour教授团队展示了通过焦耳加热廉价碳源——如煤、石油焦、生物炭、炭黑、废弃食品、橡胶轮胎和混合塑料废物，可以在不到一秒的时间内合成大量的石墨烯。该产品以其生产工艺命名为快速制备的石墨烯（FG），显示了在堆叠的石墨烯层之间的涡轮增压排列。快速合成工艺不需要加热炉，不需要溶剂以及反应性气体。而产量取决于原料的碳含量，当使用高碳源，如炭黑、无烟煤或煅烧过的焦炭时，产量可达80%-90%，纯度大于99%，且无需任何净化处理。拉曼光谱分析显示FG存在一个低强度或缺失的D谱带，这表明FG具有极低的缺陷浓度，并证实了FG的涡轮应变堆积。FG层的无序取向有利于其在复合材料形成过程中混合后迅速剥落。合成FG的电能成本仅为每克7.2千焦，这使得FG适合用于塑料、金属、胶合板、混凝土和其它复合材料。文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-1938-0

南京大学高力波教授团队开发了一种质子辅助的化学气相沉积方法来生长无褶皱的超光滑石墨烯薄膜。质子穿透和复合形成氢的方法可以减少石墨烯在传统化学气相沉积过程中形成的褶皱。由于范德华力相互作用的去耦合，以及与生长表面距离的增加，使一些褶皱完全消失了。石墨烯薄膜的电子带结构呈V形狄拉克锥，原子平面内或原子台阶间呈线性色散关系，证实了与衬底间的去耦合作用。石墨烯薄膜的超光滑特性确保了其表面在湿法转移后易于清洁。在线宽为100微米的器件中，即使在室温下也会出现较强的量子霍尔效应。用质子辅助化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜能在很大程度上保持其固有性能，该方法应可推广到其它二维材料上。文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1870-3

法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Benjamin Sacépé教授团队通过适当地增加库仑相互作用以及将具有高介电常数的钛酸锶（SrTiO₃）为基底，将石墨烯零级朗道能级的基态调整到拓扑相。利用这一方法，在低至1特斯拉的磁场中出现了显著的螺旋边缘传输，并且在微米长的距离上可承受的温度高达110开尔文。该研究对于探索基于螺旋边缘构造的超导近似结构中的零能量模式具有重要的意义，通过hBN间隔层厚度可调的基底筛选工程可能会对其它相关二维系统产生影响。这个通用的石墨烯平台可以在自旋电子学和拓扑量子计算中发挥作用。文献链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6479/781

消息来源： 材料人