清華新聞網(wǎng)4月22日電 近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李群仰、馮西橋教授課題組與清華大學(xué)機(jī)械工程系馬天寶副教授課題組合作，首次報(bào)道了扭轉(zhuǎn)單-多層石墨烯中同時(shí)存在兩種亞穩(wěn)重構(gòu)狀態(tài)，并發(fā)展了一套通過(guò)施加力學(xué)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩種重構(gòu)狀態(tài)之間可逆轉(zhuǎn)變的堆垛操控策略。該發(fā)現(xiàn)揭示了應(yīng)變孤子網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的耦合變形機(jī)制對(duì)二維材料界面堆垛轉(zhuǎn)變及其傳播過(guò)程的重要貢獻(xiàn)，為理解扭轉(zhuǎn)范德華結(jié)構(gòu)獨(dú)特的力學(xué)、物理性質(zhì)，發(fā)展可控的堆垛操控方法提供了新思路。
通過(guò)把石墨烯等二維材料堆垛在一起組成范德華同質(zhì)/異質(zhì)結(jié)是調(diào)控二維材料力學(xué)、物理行為的一種有效途徑。當(dāng)把多個(gè)石墨烯原子層堆垛在一起時(shí)，會(huì)形成不同的堆垛結(jié)構(gòu)。例如，如果將層間碳原子的相對(duì)位置用字母A、B和C表示，當(dāng)碳原子頭碰頭堆垛時(shí)，即會(huì)形成AA堆垛；而當(dāng)碳原子彼此錯(cuò)開(kāi)時(shí)，則會(huì)形成具有較低能量的公度堆垛，即AB和AC堆垛（兩層石墨烯），或ABA和ABC堆垛（三層石墨烯）。當(dāng)石墨烯不同層之間存在一個(gè)扭轉(zhuǎn)角度時(shí)，不同堆垛結(jié)構(gòu)會(huì)交替出現(xiàn)，形成周期性的摩爾云紋結(jié)構(gòu)。最近研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)層間扭轉(zhuǎn)角度小于1°時(shí)，扭轉(zhuǎn)界面形成的摩爾云紋的周期長(zhǎng)度（>10 nm）將遠(yuǎn)大于石墨烯的晶格常數(shù)（0.24nm）。對(duì)于此類(lèi)長(zhǎng)周期的摩爾云紋結(jié)構(gòu)，在體系能量最小化的驅(qū)動(dòng)下，局部原子會(huì)發(fā)生重新排列形成大面積具有較低堆垛能的ABA和ABC堆垛，并在兩種堆垛構(gòu)型的過(guò)渡區(qū)域形成具有剪切應(yīng)變的孤子網(wǎng)絡(luò)（疇壁）結(jié)構(gòu)，這種局部原子重排列現(xiàn)象也被稱(chēng)為原子級(jí)重構(gòu)行為。具有這種獨(dú)特重構(gòu)狀態(tài)的石墨烯會(huì)展現(xiàn)出許多奇特的物理行為，在功能性器件方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，二維材料堆垛結(jié)構(gòu)中類(lèi)似的原子級(jí)重構(gòu)現(xiàn)象通常是自發(fā)形成的，且往往僅呈現(xiàn)出單一的重構(gòu)狀態(tài)。
圖1.（a）基于導(dǎo)電原子力顯微鏡（c-AFM）的扭轉(zhuǎn)單-多層石墨烯堆垛表征示意圖；（b）兩種重構(gòu)狀態(tài)的典型電流圖像。
該研究工作中，研究團(tuán)隊(duì)借助先前發(fā)展的二維材料界面堆垛表征平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小扭轉(zhuǎn)角單-多層石墨烯界面堆垛狀態(tài)的直接實(shí)驗(yàn)測(cè)量（圖1），發(fā)現(xiàn)小轉(zhuǎn)角單-多層石墨烯中的堆垛狀態(tài)呈現(xiàn)如“棋盤(pán)”般排列的三角形疇區(qū)，不同三角形疇區(qū)分別代表不同的堆垛結(jié)構(gòu)，即紅色高電導(dǎo)區(qū)域?qū)?yīng)于A(yíng)BA堆垛，藍(lán)色低電導(dǎo)區(qū)域?qū)?yīng)于A(yíng)BC堆垛（狀態(tài)O）。更重要的是，通過(guò)探針施加力學(xué)加載，研究團(tuán)隊(duì)觀(guān)察到重構(gòu)狀態(tài)會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入到另外一種穩(wěn)定的重構(gòu)狀態(tài)（狀態(tài)ō）。相比于初始重構(gòu)狀態(tài)，翻轉(zhuǎn)后的重構(gòu)狀態(tài)在疇區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出局部相反的導(dǎo)電性對(duì)比，并且疇壁區(qū)域存在明顯增強(qiáng)的導(dǎo)電性（圖1）。借助分子動(dòng)力學(xué)模擬、第一性原理計(jì)算和前期工作中發(fā)展的ACQ電傳輸模型，揭示了兩種重構(gòu)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變可能源于頂層石墨烯在探針擾動(dòng)下的非均勻面內(nèi)變形（圖2），即頂層石墨烯的非均勻變形導(dǎo)致疇內(nèi)堆垛結(jié)構(gòu)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并且孤子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變狀態(tài)隨之改變。
圖2.（a）兩種重構(gòu)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變過(guò)程的示意圖；（b）兩種重構(gòu)狀態(tài)的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果及轉(zhuǎn)變過(guò)程的能量變化；（c）兩種重構(gòu)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)計(jì)算結(jié)果。
進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，局部堆垛狀態(tài)的轉(zhuǎn)變可以通過(guò)應(yīng)變孤子網(wǎng)絡(luò)之間的耦合變形效應(yīng)進(jìn)行自發(fā)遠(yuǎn)距離傳播（圖3）。即在探針施加的局部力學(xué)擾動(dòng)下，疇區(qū)內(nèi)的頂層石墨烯可能發(fā)生層間相對(duì)滑移，使得局部疇區(qū)內(nèi)的堆垛狀態(tài)發(fā)生改變，而層間石墨烯的局部相對(duì)滑動(dòng)/變形將導(dǎo)致該疇區(qū)周邊孤子的應(yīng)變顯著增強(qiáng)，為了釋放周邊孤子較高的應(yīng)變能，與該孤子相鄰疇區(qū)內(nèi)的石墨烯則會(huì)自發(fā)的移動(dòng)與變形，使得局部堆垛轉(zhuǎn)變以多米諾骨牌翻轉(zhuǎn)模式進(jìn)行傳播。該工作為理解和調(diào)控扭轉(zhuǎn)范德華結(jié)構(gòu)豐富的物理行為提供了一個(gè)新思路，也為實(shí)現(xiàn)范德華結(jié)構(gòu)中的可控堆垛操控提供了一種新途徑。
圖3.（a）局部堆垛轉(zhuǎn)變和傳播行為測(cè)試；（b）扭轉(zhuǎn)單-多層石墨烯中多米諾骨牌形式的堆垛轉(zhuǎn)變示意圖
該研究工作于4月21日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）期刊，論文題為“扭轉(zhuǎn)單-多層石墨烯中多米諾骨牌形式的堆垛轉(zhuǎn)變”（Domino-like stacking order switching in twisted monolayer–multilayer graphene）。
清華大學(xué)航院李群仰教授、馮西橋教授和機(jī)械系馬天寶副教授為本文的通訊作者，參與該工作的還有國(guó)家納米中心劉璐琪研究員和北京科技大學(xué)高磊副教授。清華大學(xué)航院博士后張帥、機(jī)械系博士生徐強(qiáng)、國(guó)家納米中心侯淵博士和機(jī)械系博士生宋愛(ài)生為論文共同第一作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自由探索項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃及清華大學(xué)“水木學(xué)者”計(jì)劃的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01232-2
供稿：航天航空學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：呂婷
