石墨烯因其卓越的光学、机械和电子性能而受到科学界的广泛关注。其蜂窝状结构使其成为一种典型的二维材料，具有拓扑保护态的光子和声子带隙。
在此，来自荷兰阿姆斯特丹大学的Peter Schall等研究者，使用伪三价斑块粒子的原子石墨烯的类似物，组装了胶体石墨烯，使得人们能够从粒子尺度上对晶体生长和缺陷动力学的洞察。相关论文以题为“Visualizing defect dynamics by assembling the colloidal graphene lattice”发表在Nature Communications上。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37222-4
二维材料引起了密集的科学兴趣，无论是从应用还是基础的角度来看，都提供了从轻质材料到光电子器件的应用。与体材料相比，这些材料结合了非凡的机械、光学和电子性能。最著名的代表物——石墨烯，由一个碳原子单层构成，以蜂窝晶格结构连接。蜂窝晶格内的强共价键使材料特别坚固轻盈，而蜂窝结构则引起了光子和声子能带隙。在更大的尺度上，微米级别的颗粒组装成胶体石墨烯，类似于由胶体颗粒组装而成的原子石墨烯，将为二维光子和声子晶体的应用开辟新的可能性。然而，制备具有缺陷较小的单晶石墨烯和胶体石墨烯仍然是一个巨大的挑战，严重限制了它的应用。
结构缺陷是石墨烯所有性质的核心，使得石墨烯基电子器件中的带隙调谐成为可能。然而，虽然在生长过程中不可避免地会引入缺陷或故意添加缺陷以调节机械和电子性能，但对其形成机制的全面理解仍然缺乏：因为三价碳原子或颗粒可以排列成各种多边形和结构，即使存在缺陷，也会存在一个连续的晶格，重新排列可以有多种途径。尽管通过电子显微镜直接可视化石墨烯缺陷方面取得了进展，但缺陷动力学和愈合仍然知之甚少，生产无缺陷石墨烯具有挑战性。
虽然胶体颗粒比原子大几个数量级，但它们的相态行为和动力学都受到相同的热力学原理的控制。原子和胶体的相态行为主要受热力作用支配，这意味着我们可以将胶体聚集和结晶作为原子结晶的简单模型。胶体系统的一个优点是，缺陷形成和动力学可以方便地使用光学显微镜直接实时研究单个颗粒分辨率，而这在原子系统中仍然具有挑战性，尤其是在用于石墨烯生长的严酷高温原子沉积下。近年来，合成各向异性颗粒，特别是具有提供特定价和键角的吸引性斑点的胶体颗粒的能力，为组装更复杂的结构，例如分子类似物和共价键结晶，开辟了设计空间。
模拟和实验表明，这些胶体分子可以生长成更大的组装体，产生从kagome晶格到buckyball簇的丰富结构。实验上实现这些结构仍然具有挑战性，因为它们需要对特定协调相互作用进行精细控制，或者有目的地进行几何设计以阻止动力学上有利的非平衡路径，如最近实现的胶体钻石所示。与四面体配位的钻石相比，石墨烯依赖于颗粒的三价配位。具有120∘斑点的斑点颗粒可以模拟这些共价键；然而，在kBT尺度上实现这样的价性并控制这些定向键仍然具有挑战性，但将开辟结构复杂的二维材料的组装和其结构和机械性能研究的可能性。
在这里，研究者组装了胶体石墨烯，并阐明了这种二维材料的结晶和缺陷形成的动力学路径。研究者使用吸附在基底上的伪三价斑点颗粒形成石墨烯晶格，并使用共焦显微镜直接跟踪晶体生长、缺陷形成和愈合，具有极高的时间和空间分辨率。通过对斑点-斑点键强度的精细控制，研究者可以观察到类似于高温原子石墨烯的接近平衡组装。根据饱和键的数量和键应变，研究者确定了晶格的构型能量，并在晶格重排和愈合期间跟踪其演变。研究者的结果揭示了胶体和原子石墨烯最突出的缺陷图案——五边形，在石墨烯生长的早期阶段具有动力学优势，并在随后的生长过程中作为扩展缺陷的种子。这些结果暗示了组装的早期阶段在生成无缺陷石墨烯方面的重要性。（文：水生）
图1 由三价配位粒子形成的胶体石墨烯薄片。
图2 胶体石墨烯的缺陷。
图3 胶体石墨烯缺陷的来源。
图4 胶体石墨烯中的缺陷演化。
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