王者歸來 石墨烯今年已發6篇Nature/Science！

石墨烯又被稱為“黑金”、“新材料之王”，被譽為改變21世紀的“神奇材料”，不僅在航空航天、太陽能利用、納米、電子學、生物醫療、復合型材料等領域有廣泛運用，而且在我們服飾、日用品等也獨具商業應用潛能。2010年諾貝爾物理學獎授予對石墨烯研究做出杰出貢獻的英國曼徹斯特大學的科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃索洛夫。作為21世紀“神奇材料”，石墨烯必將會給人類的生活帶來巨大改變，對世界產生顛覆性的影響。本文總結了今年Science和Nature雜志上關于石墨烯領域的突破性成果，和大家一起交流探討。

1、Nature: 快速合成克級石墨烯

美國萊斯大學Rouzbeh Shahsavari教授團隊、Boris I. Yakobson教授團隊和James M. Tour教授團隊展示了通過焦耳加熱廉價碳源——如煤、石油焦、生物炭、炭黑、廢棄食品、橡膠輪胎和混合塑料廢物，可以在不到一秒的時間內合成大量的石墨烯。該產品以其生產工藝命名為快速制備的石墨烯（FG），顯示了在堆疊的石墨烯層之間的渦輪增壓排列。快速合成工藝不需要加熱爐，不需要溶劑以及反應性氣體。而產量取決于原料的碳含量，當使用高碳源，如炭黑、無煙煤或煅燒過的焦炭時，產量可達80%-90%，純度大于99%，且無需任何凈化處理。拉曼光譜分析顯示FG存在一個低強度或缺失的D譜帶，這表明FG具有極低的缺陷濃度，并證實了FG的渦輪應變堆積。FG層的無序取向有利于其在復合材料形成過程中混合后迅速剝落。合成FG的電能成本僅為每克7.2千焦，這使得FG適合用于塑料、金屬、膠合板、混凝土和其它復合材料。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-1938-0

2、Nature: 質子輔助生長的超平滑石墨烯薄膜

南京大學高力波教授團隊開發了一種質子輔助的化學氣相沉積方法來生長無褶皺的超光滑石墨烯薄膜。質子穿透和復合形成氫的方法可以減少石墨烯在傳統化學氣相沉積過程中形成的褶皺。由于范德華力相互作用的去耦合，以及與生長表面距離的增加，使一些褶皺完全消失了。石墨烯薄膜的電子帶結構呈V形狄拉克錐，原子平面內或原子臺階間呈線性色散關系，證實了與襯底間的去耦合作用。石墨烯薄膜的超光滑特性確保了其表面在濕法轉移后易于清潔。在線寬為100微米的器件中，即使在室溫下也會出現較強的量子霍爾效應。用質子輔助化學氣相沉積法生長的石墨烯薄膜能在很大程度上保持其固有性能，該方法應可推廣到其它二維材料上。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1870-3

3、Nature: 單晶復合氧化物膜的異質集成

美國麻省理工學院Jeehwan Kim教授和威斯康辛大學麥迪遜分校Chang-BeomEom教授團隊演示了一種通用的機械剝離方法，用以生產獨立的單晶膜，包括各種具有不同晶體取向的鈣鈦礦，尖晶石和石榴石晶體結構的各種復雜的氧化復合物。此外，研究人員制備了人工異質結構，并通過直接堆疊這種具有不同晶體結構和取向的獨立式薄膜來雜化它們的物理性質，這是傳統方法無法做到的。該研究結果建立了一個類似于二維材料異質結構的疊加和耦合三維結構的平臺，用以增強器件的性能。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1939-z

4、Nature: 莫爾超晶格中可調諧的關聯陳氏絕緣體和鐵磁性

復旦大學張遠波教授團隊、勞倫斯伯克利國家實驗室/加州大學伯克利分校王楓教授團隊、SLAC國家加速器實驗室David Goldhaber-Gordon團隊聯合報告了在ABC-TLG/hBN莫爾超晶格中相關的陳氏絕緣子的觀察實驗。結果表明，反向施加垂直電場可以使ABC-TLG/hBN的莫爾微帶在零和有限的陳數之間發生變化，這與磁輸運行為的變化有關。對于調整為具有有限的陳數的拓撲空穴微帶，研究人員關注于四分之一填充，對應于一個空穴。霍爾電阻在h/2e²(其中h是普朗克常數，e是電子上的電荷)處被很好地量子化了，這意味著對于超過0.4特斯拉的磁場，C = 2。相關的陳氏絕緣子是鐵磁性的，在零磁場下表現出明顯的磁滯和一個大的反常的霍爾信號。研究人員在零磁場條件下發現了C = 2的陳氏絕緣子，這將為后期探索發現相關聯的拓撲狀態提供可能性。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2049-7

5、Nature: 石墨烯的氣體滲透性極限

英國曼徹斯特大學諾獎得主A. K. Geim教授團隊使用小的石墨烯密封的單晶容器，研究發現無缺陷的石墨烯是不透水的，其精確度比之前的研究高出8-9個數量級。研究人員能夠辨別出每小時只有幾個氦原子的滲透，這個檢測限也適用于除了氫的所有其他測試氣體（氖、氮、氧、氬、氪和氙）。盡管氫分子比氦分子大，并且要經歷一個更高的能量屏障，但它仍表現出明顯的滲透。這異常的結果歸因于兩階段的過程，涉及在高催化活性的石墨烯波紋處解離氫氣分子，緊隨其后的是吸附的氫原子以相對較低的活化能躍遷到石墨烯片的另一側。該研究工作為二維材料的抗滲性提供了一個關鍵的參考，從基礎研究的角度和它們的潛在應用都具有重要意義。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2070-x

6、Science: SrTiO₃基底上石墨烯的螺旋量子霍爾相

法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學Benjamin Sacépé教授團隊通過適當地增加庫侖相互作用以及將具有高介電常數的鈦酸鍶（SrTiO₃）為基底，將石墨烯零級朗道能級的基態調整到拓撲相。利用這一方法，在低至1特斯拉的磁場中出現了顯著的螺旋邊緣傳輸，并且在微米長的距離上可承受的溫度高達110開爾文。該研究對于探索基于螺旋邊緣構造的超導近似結構中的零能量模式具有重要的意義，通過hBN間隔層厚度可調的基底篩選工程可能會對其它相關二維系統產生影響。這個通用的石墨烯平臺可以在自旋電子學和拓撲量子計算中發揮作用。

文獻鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6479/781??

本文由eric供稿。

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