石墨烯的精细结构研究取得进展

近日，张江实验室上海光源科学中心胡钧研究员、张益研究员与上海大学环境与化学工程学院的石国升研究员合作，发现了石墨烯的非常规原子结构，相关研究结果以 “Unconventional Atomic Structure of Graphene Sheets on solid Substrates” 为题发表在《Small》 封面上 (Small 2019, 15, 1902637). 同时该研究成果被wiley 旗下 《Advanced Materials》 杂志列为“Hot Topic” (carbon graphite graphene) 文章之一(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)1521-4095.hottopic-carbon).

无支撑石墨烯（free-standing graphene）的碳原子以sp2 杂化轨道组成周期为2.5 ？ 的六元环平面蜂窝形结构，通常此结构被认为是石墨烯唯一的原子级周期结构并且决定了石墨烯的物理、化学等性质。近日，该团队报道了一个全新的发现：利用高分辨原子力显微镜 (AFM) 和扫描隧道显微镜 (STM) 观察到机械剥离的石墨烯在非同源基底上可以自发地形成周期为5 ？的斜方晶结构，这种新的原子级结构可以通过人为地施加电场控制产生。重要的是可以通过调控成像力的大小来实现石墨烯5 ？斜方晶结构和本征的2.5 ？六元环结构之间的连续可逆性转换。第一性原理计算表明，这种非常规的结构可以归因于石墨烯表面和基底之间的偶极子，该偶极子产生界面电场并引起石墨烯表面上的碳原子重新排列。作为应用，实验结果表明该斜方晶格可以控制淀粉样蛋白的外延自组装行为。

还需指出的是，在目前的研究中，固体底上石墨烯结构中如此明显的原子级变化通常被忽略，然而这对于全面地理解石墨烯独特的电学，机械学和热学性质非常重要。该发现揭示了新的石墨烯原子结构，这对于获得以石墨烯为基础的电子设备的优异性能是非常关键的，并且为操纵石墨烯晶格开辟了新途径。

文章的第一作者为张江实验室上海光源科学中心张金金博士，共同第一作者为上海应用物理研究所杨一舟博士。该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院的资助。