诞生十年,这个网红材料依然是顶刊宠儿

现在,一个十年过去,回首2020年的Nature和Science,石墨烯依然是最受欢迎的研究方向。这篇文章为大家汇总了2020年NS上的16篇石墨烯相关的文章,我们一起来感受石墨烯的魅力。

距离石墨烯2010年登上诺奖领奖台已经过去了十年。这些年间,石墨烯作为最古老的网红二维材料长期成为各大顶刊的专业户。现在,一个十年过去,回首2020年的Nature和Science,石墨烯依然是最受欢迎的研究方向。这篇文章为大家汇总了2020年NS上的16篇石墨烯相关的文章,我们一起来感受石墨烯的魅力。

1.南京大学高力波:质子辅助生长超平石墨烯薄膜

诞生十年,这个网红材料依然是顶刊宠儿

通过化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜具有非凡的物理和化学特性,这对于诸如柔性电子设备和高频晶体管之类的应用而言,应有尽有。但是,由于与基材的牢固结合,在生长过程中总是会形成皱纹,并且这些皱纹限制了薄膜的大规模均匀性。

南京大学高力波开发了一种质子辅助的化学气相沉积方法来生长无皱的超平石墨烯薄膜。这种质子渗透和重组的方法还可以减少在传统的石墨烯化学气相沉积过程中形成的皱纹。一些皱纹由于范德华相互作用的解耦而可能完全消失,并且可能与生长表面的距离增加了。石墨烯薄膜的电子能带结构显示V型Dirac锥和在原子平面内或跨原子台阶的线性色散关系,从而限制了与基板的去耦。石墨烯薄片的超平特性确保了它们的表面在湿转移过程后易于清洁。即使在室温下,线宽为100微米的设备中也会出现强大的量子霍尔效应。通过质子辅助化学气相沉积法生长的石墨烯碎片应在很大程度上保留其固有性能,这种方法应易于推广到其他用于应变和掺杂工程的纳米材料。

文献链接:

Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films

Nature, 2020, 10.1038/s41586-019-1870-3

2.美国莱斯大学James M. Tour、Boris I. Yakobson和C-Crete科技公司的Rouzbeh Shahsavari:克级石墨烯的快速制备方法

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大多数块状石墨烯是通过自顶向下的方法生产的,将石墨剥落,而石墨通常需要大量溶剂才能进行高能混合、剪切、超声处理或电化学处理。尽管将石墨化学氧化为氧化石墨烯可促进剥离,但它需要苛刻的氧化剂,并在随后的还原步骤后使石墨烯具有缺陷的穿孔结构。如果通过化学气相沉积或先进的合成有机方法进行,高质量的石墨烯的自下而上的合成通常限于超少量,或者如果在本体溶液中进行,则其提供了缺陷密集的结构。

美国莱斯大学James M. Tour、Boris I. Yakobson和C-Crete科技公司的Rouzbeh Shahsavari证明了对廉价碳源的焦耳加热可以在不到一秒钟的时间内提供克级的石墨烯。该产品在堆叠的石墨烯层之间显示出涡轮层排列。FG合成不使用熔炉,也不使用溶剂或反应性气体。产量取决于来源的碳含量。当使用高碳源时,收率范围为80%至90%,碳纯度大于99%,无需纯化步骤。拉曼光谱分析显示,FG的强度低或不存在D谱带,表明FG具有迄今报道的石墨烯缺陷浓度最低的缺陷浓度,并且限制了FG的涡轮层堆积,这明显不同于涡轮层石墨。 FG层的无序取向有助于其在复合材料形成过程中混合时快速脱落。FG合成的电能成本仅为每克7.2千焦耳,这可能使FG适用于塑料,金属,胶合板,混凝土和其他建筑材料的散装复合材料。

文献链接:

Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-1938-0

3.武汉大学袁声军和曼彻斯特大学曼彻斯特大学A. K. Geim:石墨烯不透气性的限制

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尽管只有一个原子的厚度,但无缺陷的石墨烯被认为对所有气体和液体都是完全不可渗透的。该结论是基于理论的,并得到了实验的支持,这些实验无法在每秒105至106个原子的检出限内检测出通过微米级膜的气体渗透。

武汉大学袁声军和曼彻斯特大学曼彻斯特大学A. K. Geim使用用石墨烯紧密密封的小型单晶容器,显示出无缺陷的石墨烯是不可渗透的,其精度比以前的实验高八到九个数量级。作者每小时能够分辨出只有几个氦原子的渗透,并且该检测限对除氢气以外的所有其他测试气体均有效。氢气显示出明显的渗透性,即使其分子大于氦气且应具有更高的能垒。令人费解的观察结果归因于一个两阶段过程,该过程涉及在催化活性的石墨烯波纹处解离分子氢,然后以约1.0伏的相对较低的活化能将吸附的原子吸附到石墨烯片的另一侧,该值接近以前报道的质子运输。这个工作为二维材料的不可渗透性提供了重要参考,并且从基本的角度及其潜在应用意义很重要。

文献链接:

Limits on gas impermeability of graphene

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2070-x

4.魏茨曼科学研究院和麻省理工学院:映射魔角石墨烯中的扭曲角紊乱和Landau能级

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最近发现的电子带以及魔术角扭曲双层石墨烯中的强相关和超导相至关重要地取决于层间扭曲角θ。尽管已经证明以大约0.1度的精度控制全局θ,但是关于局部扭转角的分布的信息很少。

魏茨曼科学研究院和麻省理工学院使用纳米级尖端扫描超导量子干涉装置来获取量子霍尔态下的朗道能级的断层图像,并绘制六角形氮化硼(hBN)封装的MATBG装置的局部θ变化图,相对精度优于0.002和几个波纹期的空间分辨率。作者发现了θ紊乱程度与MATBG传输特性的质量之间的相关性,并表明,即使是最先进的设备,在θ上也存在相当大的局部变化,最高可达0.1度,表现出明显的梯度和跳跃网络,可能包含没有本地MATBG行为的区域。作者观察到MATBG中的相关状态相对于扭曲角异常特别脆弱。文章还证明了θ的梯度会产生大的栅极可调面内电场,即使在金属区域也不会被屏蔽,通过在样品的大部分区域中形成边缘通道来深刻改变量子霍尔态,并且可能会影响相图和超导状态。因此,确立了θ紊乱作为一种非常规类型的紊乱的重要性,能够将扭曲角梯度用于带状结构工程,实现相关现象以及用于设备应用的门可调内置平面电场。

文献链接:

Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2255-3

5.普林斯顿大学Ali Yazdani:魔角扭曲双层石墨烯中的电子跃迁级联

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魔角扭曲的双层石墨烯具有多种电子状态,包括相关的绝缘体,超导体和拓扑相。了解造成这些相的微观机制需要确定电子-电子相互作用与量子简并性之间的相互作用。在最近的光谱测量中,在脂肪电子带的部分杂物中观察到强电子-电子相关性的特征,运输实验表明杂物中的朗道能级简并性的变化对应于每个莫尔单位的整数个电子。但是,目前尚不清楚相互作用效应与系统退化之间的相互作用。

普林斯顿大学Ali Yazdani报道了使用高分辨率扫描隧道显微镜确定的魔角扭曲双层石墨烯的光谱性质随电子跃迁的级联过渡。作者发现在摩尔纹带的每个整数填充处,化学势都有明显变化,并且低能激发发生了重排。这些光谱特征是库仑相互作用的直接结果,库仑相互作用将简并的谱带划分为哈伯德子谱带。文章所描述的级联转变表征了相关的高温母相,在低温下魔术角扭曲的双层石墨烯中会出现各种绝缘和超导基态相。

文献链接:

Cascade of electronic transitions in magic-angle twisted bilayer graphene

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2339-0

6.魏茨曼科学研究院和麻省理工学院:魔角石墨烯的相变和狄拉克恢复的级联

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接近魔角的扭曲的双层石墨烯展现出丰富的电子相关物理特性,显示出绝缘,磁性和超导相。预计该系统的电子带在魔术角附近会明显变窄,从而导致各种可能破坏对称的基态。

魏茨曼科学研究院和麻省理工学院使用局部电子可压缩性的测量结果,显示这些相关的相位源自具有高能态且具有不正常的带状分布序列。当将载波添加到系统中时,对应于旋转和谷底自由度的四个电子“偏爱”不会平等地偏离。相反,它们是通过一系列尖锐的相变填充的,这些相变表现为摩尔纹晶格整数填充附近的电子可压缩性的强烈不对称跳跃。在每次转换时,一个自旋/谷偏向会使所有载子从其部分羽翼的同伴中移出,“重置”到电荷中性点附近。结果,在每次整数翻转之后,在电荷中性附近观察到的类似狄拉克的特征再次出现。对化学势接近于振摆因子一个的面内磁场依赖性的测量揭示了大的自发磁化强度,进一步证实了对称破坏级联的图像。在远高于超导和相关绝缘状态开始的温度下观察到相变和狄拉克恢复的序列。这表明这种状态具有强烈破坏的电子偏爱对称性和复活的狄拉克(Dirac)电子特性,在魔角石墨烯的物理学中很重要,从而形成了母态,在该母态中,超导和相关绝缘性更加脆弱基态出现。

文献链接:

Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic-angle graphene

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2373-y

7.法国CNRS Benjamin Sacépé:SrTiO3上石墨烯中的螺旋量子霍尔相

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电荷中性石墨烯在垂直磁场下的基态被预测为具有铁磁序和自旋滤波的螺旋边缘通道的量子霍尔拓扑绝缘体。但是,在大多数实验中,观察到绝缘状态是由晶格尺度的相互作用引起的,该晶格尺度的相互作用促进了带间隙的主体和边缘激发的对称性破坏状态。法国CNRS Benjamin Sacépé通过对库仑相互作用以及钛酸锶(SrTiO3)衬底的高介电常数的适当筛选,将石墨烯零级朗道能级的基态调整到拓扑相。坚固的螺旋边缘传输出现在低至1特斯拉的磁场下,并在微米长的距离上承受高达110开尔文的温度。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找到应用。

文献链接:

Helical quantum Hall phase in graphene on SrTiO3

Science, 2020, 10.1126/science.aax8201

8.普林斯顿大学Ali Yazdani:魔角扭曲双层石墨烯中的强相关Chern绝缘子

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电子与其能带拓扑之间的相互作用会产生物质的异常量子相。大多数拓扑电子相出现在电子与电子相互作用较弱的系统中。仅由于强相互作用而出现拓扑阶段的情况很少见,并且大多限于在强磁场中实现的情况。在魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)中发现具有拓扑特征的电子带,为寻找强相关的拓扑阶段创造了独特的机会。

普林斯顿大学Ali Yazdani介绍一种使用扫描隧道显微镜的局部光谱技术,以检测Chern数C =±1,±2和±3的MATBG中的拓扑绝缘体序列,它们形成接近±3,±2和±1电子的填充因子每个摩尔纹单元格,并通过适度的磁场来稳定。以前,当六边形氮化硼衬底故意破坏MATBG的亚晶格对称性时,曾观察到此处检测到的一个相(C = +1),其中相互作用起次要作用。作者证明,仅电子与电子的强相互作用不仅可以产生先前观察到的相,而且还可以产生MATBG中其他的Chern绝缘相。作者可以通过假定强相关性有助于打破时间反转对称性来形成由弱磁场稳定的Chern绝缘子,来理解所观察到的全部相序。这个发现表明,多体关联可以在莫尔条纹系统中创建拓扑阶段,这超出了弱相互作用模型所预期的状态。

文献链接:

Strongly correlated Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-3028-8

9.雷神BBN技术:基于石墨烯的约瑟夫森结微波辐射热计

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灵敏的微波探测器在射电天文学,暗物质轴搜索和超导量子信息科学中至关重要。获得更高灵敏度的辐射热测定法的常规策略是对越来越小的装置进行纳米加工以增强热响应。然而,由于表面污染,很难在具有大的表面体积比的设备中获得有效的光子耦合并保持材料性能。 雷神BBN技术介绍了基于单层石墨烯的最终薄型辐射热传感器。为了利用石墨烯的微小电子比热和导热率,文章开发了一种嵌入到微波谐振器中的超导体-石墨烯-超导体约瑟夫逊结辐射热测量仪,其谐振频率为7.9 GHz,耦合效率超过99%。约瑟夫森开关电流对工作温度,电荷密度,输入功率和频率的依赖性表明,每平方根赫兹的等效噪声功率为7×10-19瓦,相当于单个32吉赫兹的能量分辨率光子,达到了固有热波动在0.19开尔文下施加的基本极限。研究结果表明,二维材料可以使辐射热计的开发具有热力学定律所允许的最高灵敏度。

文献链接:

Graphene-based Josephson junction microwave bolometer

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2752-4

10.美国罗格斯大学Eva Y. Andrei、Yuhang Jiang:屈曲石墨烯超晶格中的平带和相关态的证据

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二维原子晶体可以响应外部影响从根本上改变其性能,从而形成具有新颖电子结构的材料。一个例子是在双层石墨烯中为两层的方向之间的某些“魔术”扭曲角创建了弱分散的“脂肪”带。这些脂肪带中的猝灭动能促进了电子与电子的相互作用,并促进了强相关相的出现,例如超导性和相关的绝缘体。

美国罗格斯大学Eva Y. Andrei、Yuhang Jiang提出了另一种创建脂肪带的途径,该途径不涉及微调。使用扫描隧道显微镜和光谱学以及数值模拟,作者证明了放置在原子脂肪基质上的石墨烯单层可以被迫经历屈曲转变,从而产生周期性调制的伪磁场,进而形成“后磁化”。带有脂肪电子带的石墨烯材料。当使用静电掺杂将费米能级引入这些脂肪带时,可以观察到状态密度呈伪间隙状耗尽,这表明相关状态的出现。二维晶体的这种屈曲提供了创建其他超晶格系统的策略,尤其是探索脂肪带特有的相互作用现象的策略。

文献链接:

Evidence of flat bands and correlated states in buckled graphene superlattices

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2567-3

11.哈佛大学Amir Yacoby:Dirac流体在石墨烯中粘性流动的成像

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电荷中性石墨烯中的电子空穴等离子体预计将实现一个量子临界系统,即使在室温下,其电输运也具有普遍的流体动力学描述。预计这种量子临界“狄拉克流体”的剪切粘度接近最小极限,在普朗克时间,粒子间的散射速率达到饱和,这是粒子弛豫的最短时间尺度。尽管在有限载流子密度下的电迁移测量结果与石墨烯中的流体动力电子流一致,但在电荷中性点上仍无法清楚地证明粘性流。

哈佛大学Amir Yacoby通过测量相关的杂散磁场,直接在室温下在石墨烯中直接成像狄拉克流体流动。使用量子自旋磁强计执行纳米级磁成像,该量子自旋磁强计利用金刚石中的氮空位中心实现。扫描单旋和宽磁强法,发现在电荷中性点附近的高迁移率石墨烯通道中,电子流的抛物线Poiseuille谱,建立了狄拉克流体的粘性传输。此测量与在金属导体以及低迁移率石墨烯通道中成像的常规均匀流轮廓相反。通过组合的成像和传输测量,作者获得了粘度和散射率,并观察到这些数量与在量子临界状态下预期的通用值相当。这种发现在室温下在电荷中性高迁移率石墨烯中建立了几乎理想的电子流体。这个结果将有助于研究与高温超导体中强相关电子有关的量子临界流体中的流体动力传输。这项工作还强调了量子自旋磁力计探测纳米级相关电子现象的能力。

文献链接:

Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2507-2

12.加州理工学院Stevan Nadj-Perge:WSe2稳定的金属扭曲双层石墨烯中的超导性

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魔角扭曲双层石墨烯(TBG)的旋转失准接近1.1度,具有孤立的脂肪电子能带,可容纳相关的绝缘,超导,铁磁和拓扑相的丰富相图。先前仅在魔角的0.1度以内并在相邻或重叠的电子密度范围内观察到相关的绝缘体和超导性;然而,由于它们对微观细节的敏感性,这些状态的起源以及它们之间的关系仍然不清楚。除了扭曲角和应变之外,TBG相图还取决于用于封装石墨烯片的绝缘六方氮化硼(hBN)的排列和厚度,这表明了微观介电环境的重要性。 加州理工学院Stevan Nadj-Perge表明在hBN和TBG之间添加绝缘的二硒化钨(WSe2)单层可在扭曲角比魔术角小得多的情况下稳定超导性。对于最小的0.79度扭曲角,尽管TBG在整个电子密度范围内都表现出金属行为,但仍观察到超导性。有限的磁场强度测量进一步揭示了弱的抗定位特征以及四重自旋谷对称性的破坏,这与TBG通过靠近WSe2引起的自旋轨道耦合一致。这个研究结果限制了TBG中超导性的出现的理论解释,并为莫尔系统中的工程量子相开辟了道路。

文献链接:

Superconductivity in metallic twisted bilayer graphene stabilized by WSe2

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2473-8

13.哈佛大学Xiaomeng Liu和Philip Kim:双螺旋双层石墨烯中可调谐的自旋极化相关态

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将晶格中电子的能量带宽减小到远距离库仑相互作用能以下可促进相关效应。莫尔超晶格可实现电子能带结构的工程化。外来量子相可以出现在工程莫尔条纹中。魔术角扭曲双层石墨烯脂肪带中相关的绝缘子态,超导性和量子异常霍尔效应的最新发现激发了其他莫尔系统中相关电子态的探索。范德华莫尔条纹超晶格的电子特性可以通过调节层间耦合或组成层的能带结构来进一步调节。

哈佛大学Xiaomeng Liu和Philip Kim使用双双层石墨烯(TDBG)的范德华力异质结构,证明了一个脂肪电子能带,该电子能带可以在一定的扭曲角范围内通过垂直电场进行调谐。与魔角扭曲的双层石墨烯相似,TDBG在一半和四分之一脂肪区显示出能隙,表明出现了相关的绝缘体状态。作者发现这些绝缘体状态的间隙随着平面内磁场的增加而增加,表明铁磁顺序。掺杂半成品绝缘子时,随着温度降低,电阻率突然下降。这种临界行为仅限于密度-电地平面中的一小部分,并且归因于从正常金属到自旋极化相关态的相变。电场可调TDBG中自旋极化相关态的发现为工程相互作用驱动的量子相提供了一条新途径。

文献链接:

Tunable spin-polarized correlated states in twisted double bilayer graphene

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2458-7

14.巴塞罗那科学技术学院Dmitri K. Efetov:解开魔角石墨烯中的绝缘和超导顺序

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魔角扭曲双层石墨烯中超导态和相关绝缘态的共存,引发了关于它们之间关系的有趣问题。对控制这些阶段的微观机制的独立控制可以帮助揭示它们的个体作用,并阐明它们之间复杂的相互作用。

巴塞罗那科学技术学院Dmitri K. Efetov通过改变石墨烯与金属屏蔽层之间的分隔距离来直接调节该系统中电子相互作用的方法。作者观察到屏蔽层间距小于15纳米的典型Wannier轨道尺寸且扭转角与1.10±0.05度幻角略有偏离的器件中相关绝缘子的淬火。绝缘顺序消失后,空出的相空间将由具有临界温度的超导圆顶所取代,该临界温度可与具有强绝缘子的设备相比。此外,作者发现半悬浮的绝缘子会重新出现在0.4特斯拉的较小平面外磁场中,从而产生Chern数为2的量化霍尔状态。研究表明,应重新检查经常假设的莫尔石墨烯中绝缘相和超导相之间的“亲子关系”,并提出了一种直接探测强相关系统中超导微观机制的方法。

文献链接:

Untying the insulating and superconducting orders in magic-angle graphene

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2459-6

15.加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室:通过零模超晶格在石墨烯纳米带中诱导金属性

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石墨烯纳米带(GNR)中坚固的金属态的设计和制造具有挑战性,因为当石墨烯在纳米长度尺度上图案化时,横向量子限制和多电子相互作用会引起电子带隙。自下而上合成的最新进展使原子精确的GNR设计和表征成为可能,但是实现GNR金属性的策略却难以捉摸。

加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室通过将零能量模式的对称超晶格插入否则为半导体的GNR中,展示了一种用于在GNR中诱导金属性的通用技术。作者使用扫描隧道光谱以及第一原理密度泛函理论和紧密结合计算来验证所得的金属性。这个结果表明,可以通过有意地使子晶格对称性破裂来控制零模波函数的重叠,从而在很大的范围内调整GNR中的金属带宽。

文献链接:

Inducing metallicity in graphene nanoribbons via zero-mode superlattices

Science, 2020, 10.1126/science.aay3588

16.橡树岭国家实验室埃朗根-纽伦堡大学:直接在金属氧化物表面上合理合成原子精确的石墨烯纳米粒子

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原子精确的石墨烯纳米带(GNR)由于其高度可调的电子,光学和传输特性而引起了极大的兴趣。但是,GNR的表面合成通常基于金属表面辅助的化学反应,其中金属基质强烈地筛选了其设计者的电子性能并限制了其进一步的应用。

橡树岭国家实验室埃朗根-纽伦堡大学提出了一种表面合成方法,可以直接在半导体金属氧化物表面上形成原子精确的GNR。前体设计中的热触发式多步转化依赖于碳溴(C-Br)和碳氟(C-F)键的高选择性和顺序活化以及环脱氢。扫描隧道显微镜和光谱证实了由明确定义的之字形末端终止的平面扶手椅式GNR的形成,这也揭示了GNR与金红石型二氧化钛基质之间的弱相互作用。

文献链接:

Rational synthesis of atomically precise graphenenanoribbons directly on metal oxide surfaces

Science, 2020, 10.1126/science.abb8880

本文由tt供稿。

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