石墨烯表面性質的尺寸效應研究獲得新發現

2021-02-08 中國科學院

當顆粒的尺寸進入納米尺度後，納米材料所具有的宏觀塊材所不具備奇異或反常的物理、化學特性，一般稱為小尺寸效應。如半導體量子點隨尺寸的變化而呈現出不同的顏色。目前精確地確定量子點中每個組分原子的位置還十分困難，所以還不能定量的建立量子點中結構與性質的關係。近幾年來，研究人員發現，某些金屬二維膜可以精確的控制其厚度，精度可以達到單原子層。他們還在這些形貌精確可控的膜中發現一系列有趣的性質，如超導溫度、表面的化學反應特性隨單原子層厚度變化出現振蕩現象。由於這些金屬膜只能在極低溫度下穩定存在，大大限制了其廣泛應用的前景。

石墨烯是2004年實驗證實可以在室溫以上穩定存在的單原子層厚度的二維理想材料，層與層之間以較弱的範德瓦爾斯力結合。一般認為這種較弱的力對其性質的影響不會很大，但是實驗驚訝的發現：單層與雙層石墨烯之間量子霍爾平臺填充因子不同，呈現出奇異量子霍爾效應想像。那麼，石墨烯的其他性質是否也會隨著其厚度（層數）變化而呈現出不同呢？

國家納米科學中心孫連峰研究員及其合作者發現，當金蒸鍍到不同層數的石墨烯上後，金膜的形貌與石墨烯的層數密切相關。通過一系列實驗，他們提出，金在不同層數的石墨烯表面擴散係數及擴散勢壘與層數密切相關，並計算出擴散勢壘以及與層數的關係。而擴散勢壘不同的原因可以歸因於量子尺寸效應。同時，他們發現可以通過金膜的形貌辨別石墨烯的層數，與通常基於拉曼譜方法相比，具有空間解析度高的優點，而且金膜可以通過熱處理方法去掉。與基於AFM辦法，速度快簡便。這種通過金膜形貌方法識別層數的方法，對不同層數的石墨烯夾雜在一起的情形，具有特別的優點，而這也是傳統拉曼和原子力顯微鏡的缺陷所在。

該項工作對於開展金屬-石墨烯及其器件研究具有重要的指導意義，相關研究成果已經發表在著名期刊《美國化學會志》(JACS 132, 944(2010))上。並被Chemical &Engineering News以Gilded Graphene為題給予了報導。

上述研究工作得到國家自然科學基金委、科技部以及科學院項目的支持。

圖片說明：左圖從左到右為四層、襯底、雙層石墨烯上的5.0nm金膜形貌圖。右圖從左到右為襯底、納米級的雙層、單層石墨烯上的2.0nm金膜形貌圖。圖中標記的紅圈表示石墨烯上可能存在的汙染物或缺陷。通過光學顯微鏡或拉曼很難發現右圖中的雙層石墨烯，而利用本文電鏡的方法卻能很清晰、容易地鑑定出來。

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