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王鸣生教授课题组在碳基纳米减材制造方向取得系列进展

发布者：发布时间：2020-05-13 浏览次数：

近日，我院王鸣生教授课题组在TEM碳基纳米减材制造方向取得重要进展。结构决定性质，对于石墨烯为代表的二维材料尤其如此。为了充分利用石墨烯的优越性能，人们需要对其主要结构参数进行全面控制，包括其形状、尺寸以及边缘手性和粗糙度等。课题组最近将传统的减材制造的概念引入到石墨烯的加工，提出了一种基于纳米“铣刀”的非接触式的石墨烯裁剪方法，并在透射电子显微镜(TEM)中演示了这一技术。通常的铣削加工基于机械剪切力将材料从其表面或边缘去除，而这对于石墨烯这种极高强度的材料显然是不适用的。为此，该工作制备了一种特制的纳米铣刀，即尖端有石墨化碳保护的钨纳米针尖。在特定范围的偏压下将此铣刀靠近石墨烯边缘，使边缘碳原子被逐步蒸发，从而对一片悬空石墨烯片进行高精度的可控纳米裁剪。第一性原理计算揭示其原子蒸发机理：由电子隧穿引发带间激发，并辅以焦耳热，致使C-C键断裂。通过移动探针，可以对石墨烯片进行任意修剪，类似宏观尺度下的铣削加工，从而实现对单片石墨烯的形状、尺寸以及边缘手性方向的任意控制（图1a-c）。这种非接触式“铣削”加工得到的石墨烯边缘粗糙度可以达到亚纳米；若再通过原位退火，可进一步提升至原子级平整度，获得接近完美的armchair或zigzag边缘（图1d-g）。利用这种剪裁技术来改变石墨烯阴极的形状和尺寸，可以有效地调节其场发射性能（图1i-l）。

相关成果以“Shaping and Edge Engineering of Few-Layered Freestanding Graphene Sheets in a Transmission Electron Microscope”为题在纳米类顶级期刊Nano Letters (2020, 20, 2279)上发表，并被选做封面论文（图1h）。课题组博士研究生赵龙泽与南方科技大学助理教授罗光富为该论文并列第一作者，王鸣生教授为本文通讯作者。

此外，王鸣生教授课题组近期还发现了一种纳米尺度下特有的碳基减材制造方式，用以制造世界最细碳管。原位TEM研究表明，当电子束辐照辅以一定高温，少壁碳管可以均匀而无损的连续收缩。该工作提出了基于纯5|7位错攀爬的碳原子对有序蒸发机制很好地解释了这一现象（图2）。与常规的碳管可控生长相反（其本质是原子有序累加），这里首次提出通过原子有序递减的减材模式来精确控制碳管直径的概念。通过这种简单的方法，任意一根少壁管都可以缩减到理论上的最小直径：单壁管约为4Å，2-4壁管分别为1.01、1.66、2.41纳米（其最内层是~3Å）。这是目前已知的在实验上可以获得的能够自支持的最小1-4壁碳管。4Å单壁管(图2c,d)是理论上的极限，利用常规合成手段得到这种超细管是很困难的。该工作为制备和研究超细碳管及其电子输运等物理性质提供了简便的方法。而且，这种方法还具备批量制备的潜力，可以使数百或上千根碳管同时可控收缩。更重要的是，由于5|7位错攀爬机制的存在，该技术还为碳管的手性控制开辟了新途径。相关工作以“Top-down fabrication of small carbon nanotubes”为题，发表于RSC纳米类旗舰期刊Nanoscale Horizons (2019, 4, 1310)，课题组博士研究生程勇为该论文第一作者，王鸣生教授为本文通讯作者。