近年來，轉角石墨烯受到國內外研究者的廣泛關注。轉角石墨烯所具有的大周期莫爾晶格（Moiré pattern）及其所帶來的能帶折疊效應可以誘導出豐富、新奇的電子結構。尤其是在一些特殊的小角度上，電子結構中所出現(xiàn)的平帶會衍生出很多不尋常的現(xiàn)象，如超導、強關聯(lián)、自發(fā)鐵磁性等。

目前絕大多數(shù)研究采用機械剝離和逐層轉移的物理方法對轉角石墨烯樣品進行制備，然而，該方法存在條件苛刻、產(chǎn)出率低、界面污染等一系列問題。為發(fā)展更加高效的制備技術，研究者們通過對化學氣相沉積法中襯底的設計，陸續(xù)突破了幾種類型的轉角石墨烯的規(guī)?；苽潆y題。然而在對多層石墨烯的轉角周期的可控制備方面，并沒有比較普適的解決辦法。

近日，來自深圳理工大學（籌）、中國科學院深圳先進技術研究院、上?？萍即髮W、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、中國人民大學和德國慕尼黑工業(yè)大學的研究者們尋找到了一種石墨烯的折紙方法，可以實現(xiàn)高層間周期的轉角石墨烯的可控制備。作者們發(fā)現(xiàn)，鉑金表面生長的石墨烯會形成一定的褶皺，褶皺長大后向兩旁倒下，并在一些位置撕裂形成一個四重的螺旋位錯中心。褶皺倒下時會折疊其一側的石墨烯，帶來與褶皺的“手性”角（也就是褶皺的方向與石墨烯晶向的夾角）具有兩倍關系的單層轉角。作者們稱之為“一維手性到二維轉角的轉化關系”，并利用折紙模型對該現(xiàn)象進行了形象的演示。

圖1：石墨烯折紙現(xiàn)象的記錄與演示，其中(a-d)原位ESEM實驗所記錄的褶皺形成、倒下和再生長的過程；（e-h）相應過程的示意圖；（i-l）利用折紙模型演示褶皺的形成、倒下和再生長。

圖2：螺旋位錯附近的再生長過程，其中(a-d)原位SEM實驗所記錄的多個反向螺旋位錯附近的再生長過程；（e-h）動力學蒙特卡洛對該過程的模擬演示；（i）原子尺度分辨率STM所表征的石墨烯褶皺“手性”角；（j-l）利用折紙模型演示褶皺倒下時形成的螺旋位錯及下層石墨烯出現(xiàn)的轉角。（m-t）螺旋位錯再生長所帶來的四層周期轉角結構示意圖。

作者們進一步研究了所形成的螺旋位錯再生長帶來的新奇現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)各層石墨烯會隨著再生長形成具有周期性的四層轉角結構，其中第1、3層與原始石墨烯的晶向相同，而2、4層的晶向由褶皺手性角所決定。作者們因此提出了一種新的周期轉角多層石墨烯的制備方法：通過控制石墨烯褶皺形成的方向，制備具有特殊層間轉角周期的多層石墨烯。該方法也可用于多種可以形成褶皺的其他二維材料。

圖3：石墨烯螺旋的再生長和合并，其中（a-f）原位ESEM實驗所記錄的褶皺出現(xiàn)到最終生長成多層轉角石墨烯的全過程；（g）TEM表征下的多層轉角石墨烯；（h）原子分辨率的多層轉角石墨烯表征圖；(i-k)）動力學蒙特卡洛對該過程的模擬。

圖4：多層螺旋石墨烯和多層堆垛石墨輸運性質的區(qū)別，（a）原子力顯微鏡觀察到的螺旋位錯中心；（b-d）輸運性質檢測時的實驗設置；（e-g）多層螺旋石墨烯和多層堆垛石墨的電阻和磁阻隨溫度變化的關系。

相關研究成果以“通過石墨烯螺旋的一維到二維的生長將手性轉化為轉角”（Conversion of Chirality to Twisting via 1D-to-2D Growth of Graphene Spirals）為題發(fā)表在國際知名期刊Nature Materials上。

深理工、深圳先進院丁峰、上海科技大學Zhu-Jun Wang、中國人民大學季威和德國慕尼黑工業(yè)大學Marc-Georg Willinger為本文的通訊作者，上?？萍即髮W的Zhu-Jun Wang、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所的孔瀟、中國科學院物理所的黃元與上?？萍即髮W的李軍為文章的第一作者。該研究獲得了國家自然科學基金、中國科學院“率先行動”計劃、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。

審核編輯：劉清