誕生十年，這個網紅材料依然是頂刊寵兒

距離石墨烯2010年登上諾獎領獎臺已經過去了十年。這些年間，石墨烯作為最古老的網紅二維材料長期成為各大頂刊的專業戶。現在，一個十年過去，回首2020年的Nature和Science，石墨烯依然是最受歡迎的研究方向。這篇文章為大家匯總了2020年NS上的16篇石墨烯相關的文章，我們一起來感受石墨烯的魅力。

1.南京大學高力波：質子輔助生長超平石墨烯薄膜

通過化學氣相沉積法生長的石墨烯薄膜具有非凡的物理和化學特性，這對于諸如柔性電子設備和高頻晶體管之類的應用而言，應有盡有。但是，由于與基材的牢固結合，在生長過程中總是會形成皺紋，并且這些皺紋限制了薄膜的大規模均勻性。

南京大學高力波開發了一種質子輔助的化學氣相沉積方法來生長無皺的超平石墨烯薄膜。這種質子滲透和重組的方法還可以減少在傳統的石墨烯化學氣相沉積過程中形成的皺紋。一些皺紋由于范德華相互作用的解耦而可能完全消失，并且可能與生長表面的距離增加了。石墨烯薄膜的電子能帶結構顯示V型Dirac錐和在原子平面內或跨原子臺階的線性色散關系，從而限制了與基板的去耦。石墨烯薄片的超平特性確保了它們的表面在濕轉移過程后易于清潔。即使在室溫下，線寬為100微米的設備中也會出現強大的量子霍爾效應。通過質子輔助化學氣相沉積法生長的石墨烯碎片應在很大程度上保留其固有性能，這種方法應易于推廣到其他用于應變和摻雜工程的納米材料。

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Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films

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

2.美國萊斯大學James M. Tour、Boris I. Yakobson和C-Crete科技公司的Rouzbeh Shahsavari:克級石墨烯的快速制備方法

大多數塊狀石墨烯是通過自頂向下的方法生產的，將石墨剝落，而石墨通常需要大量溶劑才能進行高能混合、剪切、超聲處理或電化學處理。盡管將石墨化學氧化為氧化石墨烯可促進剝離，但它需要苛刻的氧化劑，并在隨后的還原步驟后使石墨烯具有缺陷的穿孔結構。如果通過化學氣相沉積或先進的合成有機方法進行，高質量的石墨烯的自下而上的合成通常限于超少量，或者如果在本體溶液中進行，則其提供了缺陷密集的結構。

美國萊斯大學James M. Tour、Boris I. Yakobson和C-Crete科技公司的Rouzbeh Shahsavari證明了對廉價碳源的焦耳加熱可以在不到一秒鐘的時間內提供克級的石墨烯。該產品在堆疊的石墨烯層之間顯示出渦輪層排列。FG合成不使用熔爐，也不使用溶劑或反應性氣體。產量取決于來源的碳含量。當使用高碳源時，收率范圍為80％至90％，碳純度大于99％，無需純化步驟。拉曼光譜分析顯示，FG的強度低或不存在D譜帶，表明FG具有迄今報道的石墨烯缺陷濃度最低的缺陷濃度，并且限制了FG的渦輪層堆積，這明顯不同于渦輪層石墨。 FG層的無序取向有助于其在復合材料形成過程中混合時快速脫落。FG合成的電能成本僅為每克7.2千焦耳，這可能使FG適用于塑料，金屬，膠合板，混凝土和其他建筑材料的散裝復合材料。

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Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis

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

3.武漢大學袁聲軍和曼徹斯特大學曼徹斯特大學A.?K.?Geim:石墨烯不透氣性的限制

盡管只有一個原子的厚度，但無缺陷的石墨烯被認為對所有氣體和液體都是完全不可滲透的。該結論是基于理論的，并得到了實驗的支持，這些實驗無法在每秒10⁵至10⁶個原子的檢出限內檢測出通過微米級膜的氣體滲透。

武漢大學袁聲軍和曼徹斯特大學曼徹斯特大學A.?K.?Geim使用用石墨烯緊密密封的小型單晶容器，顯示出無缺陷的石墨烯是不可滲透的，其精度比以前的實驗高八到九個數量級。作者每小時能夠分辨出只有幾個氦原子的滲透，并且該檢測限對除氫氣以外的所有其他測試氣體均有效。氫氣顯示出明顯的滲透性，即使其分子大于氦氣且應具有更高的能壘。令人費解的觀察結果歸因于一個兩階段過程，該過程涉及在催化活性的石墨烯波紋處解離分子氫，然后以約1.0伏的相對較低的活化能將吸附的原子吸附到石墨烯片的另一側，該值接近以前報道的質子運輸。這個工作為二維材料的不可滲透性提供了重要參考，并且從基本的角度及其潛在應用意義很重要。

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Limits on gas impermeability of graphene

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

4.魏茨曼科學研究院和麻省理工學院：映射魔角石墨烯中的扭曲角紊亂和Landau能級

最近發現的電子帶以及魔術角扭曲雙層石墨烯中的強相關和超導相至關重要地取決于層間扭曲角θ。盡管已經證明以大約0.1度的精度控制全局θ，但是關于局部扭轉角的分布的信息很少。

魏茨曼科學研究院和麻省理工學院使用納米級尖端掃描超導量子干涉裝置來獲取量子霍爾態下的朗道能級的斷層圖像，并繪制六角形氮化硼（hBN）封裝的MATBG裝置的局部θ變化圖，相對精度優于0.002和幾個波紋期的空間分辨率。作者發現了θ紊亂程度與MATBG傳輸特性的質量之間的相關性，并表明，即使是最先進的設備，在θ上也存在相當大的局部變化，最高可達0.1度，表現出明顯的梯度和跳躍網絡，可能包含沒有本地MATBG行為的區域。作者觀察到MATBG中的相關狀態相對于扭曲角異常特別脆弱。文章還證明了θ的梯度會產生大的柵極可調面內電場，即使在金屬區域也不會被屏蔽，通過在樣品的大部分區域中形成邊緣通道來深刻改變量子霍爾態，并且可能會影響相圖和超導狀態。因此，確立了θ紊亂作為一種非常規類型的紊亂的重要性，能夠將扭曲角梯度用于帶狀結構工程，實現相關現象以及用于設備應用的門可調內置平面電場。

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

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

5.普林斯頓大學Ali Yazdani:魔角扭曲雙層石墨烯中的電子躍遷級聯

魔角扭曲的雙層石墨烯具有多種電子狀態，包括相關的絕緣體，超導體和拓撲相。了解造成這些相的微觀機制需要確定電子-電子相互作用與量子簡并性之間的相互作用。在最近的光譜測量中，在脂肪電子帶的部分雜物中觀察到強電子-電子相關性的特征，運輸實驗表明雜物中的朗道能級簡并性的變化對應于每個莫爾單位的整數個電子。但是，目前尚不清楚相互作用效應與系統退化之間的相互作用。

普林斯頓大學Ali Yazdani報道了使用高分辨率掃描隧道顯微鏡確定的魔角扭曲雙層石墨烯的光譜性質隨電子躍遷的級聯過渡。作者發現在摩爾紋帶的每個整數填充處，化學勢都有明顯變化，并且低能激發發生了重排。這些光譜特征是庫侖相互作用的直接結果，庫侖相互作用將簡并的譜帶劃分為哈伯德子譜帶。文章所描述的級聯轉變表征了相關的高溫母相，在低溫下魔術角扭曲的雙層石墨烯中會出現各種絕緣和超導基態相。

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Cascade of electronic transitions in magic-angle twisted bilayer graphene

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

6.魏茨曼科學研究院和麻省理工學院:魔角石墨烯的相變和狄拉克恢復的級聯

接近魔角的扭曲的雙層石墨烯展現出豐富的電子相關物理特性，顯示出絕緣，磁性和超導相。預計該系統的電子帶在魔術角附近會明顯變窄，從而導致各種可能破壞對稱的基態。

魏茨曼科學研究院和麻省理工學院使用局部電子可壓縮性的測量結果，顯示這些相關的相位源自具有高能態且具有不正常的帶狀分布序列。當將載波添加到系統中時，對應于旋轉和谷底自由度的四個電子“偏愛”不會平等地偏離。相反，它們是通過一系列尖銳的相變填充的，這些相變表現為摩爾紋晶格整數填充附近的電子可壓縮性的強烈不對稱跳躍。在每次轉換時，一個自旋/谷偏向會使所有載子從其部分羽翼的同伴中移出，“重置”到電荷中性點附近。結果，在每次整數翻轉之后，在電荷中性附近觀察到的類似狄拉克的特征再次出現。對化學勢接近于振擺因子一個的面內磁場依賴性的測量揭示了大的自發磁化強度，進一步證實了對稱破壞級聯的圖像。在遠高于超導和相關絕緣狀態開始的溫度下觀察到相變和狄拉克恢復的序列。這表明這種狀態具有強烈破壞的電子偏愛對稱性和復活的狄拉克（Dirac）電子特性，在魔角石墨烯的物理學中很重要，從而形成了母態，在該母態中，超導和相關絕緣性更加脆弱基態出現。

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

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

7.法國CNRS Benjamin Sacépé:SrTiO3上石墨烯中的螺旋量子霍爾相

電荷中性石墨烯在垂直磁場下的基態被預測為具有鐵磁序和自旋濾波的螺旋邊緣通道的量子霍爾拓撲絕緣體。但是，在大多數實驗中，觀察到絕緣狀態是由晶格尺度的相互作用引起的，該晶格尺度的相互作用促進了帶間隙的主體和邊緣激發的對稱性破壞狀態。法國CNRS Benjamin Sacépé通過對庫侖相互作用以及鈦酸鍶（SrTiO3）襯底的高介電常數的適當篩選，將石墨烯零級朗道能級的基態調整到拓撲相。堅固的螺旋邊緣傳輸出現在低至1特斯拉的磁場下，并在微米長的距離上承受高達110開爾文的溫度。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找到應用。

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Helical quantum Hall phase in graphene on SrTiO3

Science, 2020, 10.1126/science.aax8201

8.普林斯頓大學Ali Yazdani：魔角扭曲雙層石墨烯中的強相關Chern絕緣子

電子與其能帶拓撲之間的相互作用會產生物質的異常量子相。大多數拓撲電子相出現在電子與電子相互作用較弱的系統中。僅由于強相互作用而出現拓撲階段的情況很少見，并且大多限于在強磁場中實現的情況。在魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中發現具有拓撲特征的電子帶，為尋找強相關的拓撲階段創造了獨特的機會。

普林斯頓大學Ali Yazdani介紹一種使用掃描隧道顯微鏡的局部光譜技術，以檢測Chern數C =±1，±2和±3的MATBG中的拓撲絕緣體序列，它們形成接近±3，±2和±1電子的填充因子每個摩爾紋單元格，并通過適度的磁場來穩定。以前，當六邊形氮化硼襯底故意破壞MATBG的亞晶格對稱性時，曾觀察到此處檢測到的一個相（C = +1），其中相互作用起次要作用。作者證明，僅電子與電子的強相互作用不僅可以產生先前觀察到的相，而且還可以產生MATBG中其他的Chern絕緣相。作者可以通過假定強相關性有助于打破時間反轉對稱性來形成由弱磁場穩定的Chern絕緣子，來理解所觀察到的全部相序。這個發現表明，多體關聯可以在莫爾條紋系統中創建拓撲階段，這超出了弱相互作用模型所預期的狀態。

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Strongly correlated Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene

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

9.雷神BBN技術：基于石墨烯的約瑟夫森結微波輻射熱計

靈敏的微波探測器在射電天文學，暗物質軸搜索和超導量子信息科學中至關重要。獲得更高靈敏度的輻射熱測定法的常規策略是對越來越小的裝置進行納米加工以增強熱響應。然而，由于表面污染，很難在具有大的表面體積比的設備中獲得有效的光子耦合并保持材料性能。 雷神BBN技術介紹了基于單層石墨烯的最終薄型輻射熱傳感器。為了利用石墨烯的微小電子比熱和導熱率，文章開發了一種嵌入到微波諧振器中的超導體-石墨烯-超導體約瑟夫遜結輻射熱測量儀，其諧振頻率為7.9 GHz，耦合效率超過99％。約瑟夫森開關電流對工作溫度，電荷密度，輸入功率和頻率的依賴性表明，每平方根赫茲的等效噪聲功率為7×10^-19瓦，相當于單個32吉赫茲的能量分辨率光子，達到了固有熱波動在0.19開爾文下施加的基本極限。研究結果表明，二維材料可以使輻射熱計的開發具有熱力學定律所允許的最高靈敏度。

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Graphene-based Josephson junction microwave bolometer

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

10.美國羅格斯大學Eva Y. Andrei、Yuhang?Jiang:屈曲石墨烯超晶格中的平帶和相關態的證據

二維原子晶體可以響應外部影響從根本上改變其性能，從而形成具有新穎電子結構的材料。一個例子是在雙層石墨烯中為兩層的方向之間的某些“魔術”扭曲角創建了弱分散的“脂肪”帶。這些脂肪帶中的猝滅動能促進了電子與電子的相互作用，并促進了強相關相的出現，例如超導性和相關的絕緣體。

美國羅格斯大學Eva Y. Andrei、Yuhang?Jiang提出了另一種創建脂肪帶的途徑，該途徑不涉及微調。使用掃描隧道顯微鏡和光譜學以及數值模擬，作者證明了放置在原子脂肪基質上的石墨烯單層可以被迫經歷屈曲轉變，從而產生周期性調制的偽磁場，進而形成“后磁化”。帶有脂肪電子帶的石墨烯材料。當使用靜電摻雜將費米能級引入這些脂肪帶時，可以觀察到狀態密度呈偽間隙狀耗盡，這表明相關狀態的出現。二維晶體的這種屈曲提供了創建其他超晶格系統的策略，尤其是探索脂肪帶特有的相互作用現象的策略。

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Evidence of flat bands and correlated states in buckled graphene superlattices

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

11.哈佛大學Amir Yacoby：Dirac流體在石墨烯中粘性流動的成像

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電荷中性石墨烯中的電子空穴等離子體預計將實現一個量子臨界系統，即使在室溫下，其電輸運也具有普遍的流體動力學描述。預計這種量子臨界“狄拉克流體”的剪切粘度接近最小極限，在普朗克時間，粒子間的散射速率達到飽和，這是粒子弛豫的最短時間尺度。盡管在有限載流子密度下的電遷移測量結果與石墨烯中的流體動力電子流一致，但在電荷中性點上仍無法清楚地證明粘性流。

哈佛大學Amir Yacoby通過測量相關的雜散磁場，直接在室溫下在石墨烯中直接成像狄拉克流體流動。使用量子自旋磁強計執行納米級磁成像，該量子自旋磁強計利用金剛石中的氮空位中心實現。掃描單旋和寬磁強法，發現在電荷中性點附近的高遷移率石墨烯通道中，電子流的拋物線Poiseuille譜，建立了狄拉克流體的粘性傳輸。此測量與在金屬導體以及低遷移率石墨烯通道中成像的常規均勻流輪廓相反。通過組合的成像和傳輸測量，作者獲得了粘度和散射率，并觀察到這些數量與在量子臨界狀態下預期的通用值相當。這種發現在室溫下在電荷中性高遷移率石墨烯中建立了幾乎理想的電子流體。這個結果將有助于研究與高溫超導體中強相關電子有關的量子臨界流體中的流體動力傳輸。這項工作還強調了量子自旋磁力計探測納米級相關電子現象的能力。

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Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene

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

12.加州理工學院Stevan Nadj-Perge:WSe2穩定的金屬扭曲雙層石墨烯中的超導性

魔角扭曲雙層石墨烯（TBG）的旋轉失準接近1.1度，具有孤立的脂肪電子能帶，可容納相關的絕緣，超導，鐵磁和拓撲相的豐富相圖。先前僅在魔角的0.1度以內并在相鄰或重疊的電子密度范圍內觀察到相關的絕緣體和超導性；然而，由于它們對微觀細節的敏感性，這些狀態的起源以及它們之間的關系仍然不清楚。除了扭曲角和應變之外，TBG相圖還取決于用于封裝石墨烯片的絕緣六方氮化硼（hBN）的排列和厚度，這表明了微觀介電環境的重要性。 加州理工學院Stevan Nadj-Perge表明在hBN和TBG之間添加絕緣的二硒化鎢（WSe2）單層可在扭曲角比魔術角小得多的情況下穩定超導性。對于最小的0.79度扭曲角，盡管TBG在整個電子密度范圍內都表現出金屬行為，但仍觀察到超導性。有限的磁場強度測量進一步揭示了弱的抗定位特征以及四重自旋谷對稱性的破壞，這與TBG通過靠近WSe2引起的自旋軌道耦合一致。這個研究結果限制了TBG中超導性的出現的理論解釋，并為莫爾系統中的工程量子相開辟了道路。

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Superconductivity in metallic twisted bilayer graphene stabilized by WSe2

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

13.哈佛大學Xiaomeng Liu和Philip Kim:雙螺旋雙層石墨烯中可調諧的自旋極化相關態

將晶格中電子的能量帶寬減小到遠距離庫侖相互作用能以下可促進相關效應。莫爾超晶格可實現電子能帶結構的工程化。外來量子相可以出現在工程莫爾條紋中。魔術角扭曲雙層石墨烯脂肪帶中相關的絕緣子態，超導性和量子異常霍爾效應的最新發現激發了其他莫爾系統中相關電子態的探索。范德華莫爾條紋超晶格的電子特性可以通過調節層間耦合或組成層的能帶結構來進一步調節。

哈佛大學Xiaomeng Liu和Philip Kim使用雙雙層石墨烯（TDBG）的范德華力異質結構，證明了一個脂肪電子能帶，該電子能帶可以在一定的扭曲角范圍內通過垂直電場進行調諧。與魔角扭曲的雙層石墨烯相似，TDBG在一半和四分之一脂肪區顯示出能隙，表明出現了相關的絕緣體狀態。作者發現這些絕緣體狀態的間隙隨著平面內磁場的增加而增加，表明鐵磁順序。摻雜半成品絕緣子時，隨著溫度降低，電阻率突然下降。這種臨界行為僅限于密度-電地平面中的一小部分，并且歸因于從正常金屬到自旋極化相關態的相變。電場可調TDBG中自旋極化相關態的發現為工程相互作用驅動的量子相提供了一條新途徑。

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Tunable spin-polarized correlated states in twisted double bilayer graphene

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

14.巴塞羅那科學技術學院Dmitri K. Efetov:解開魔角石墨烯中的絕緣和超導順序

魔角扭曲雙層石墨烯中超導態和相關絕緣態的共存，引發了關于它們之間關系的有趣問題。對控制這些階段的微觀機制的獨立控制可以幫助揭示它們的個體作用，并闡明它們之間復雜的相互作用。

巴塞羅那科學技術學院Dmitri K. Efetov通過改變石墨烯與金屬屏蔽層之間的分隔距離來直接調節該系統中電子相互作用的方法。作者觀察到屏蔽層間距小于15納米的典型Wannier軌道尺寸且扭轉角與1.10±0.05度幻角略有偏離的器件中相關絕緣子的淬火。絕緣順序消失后，空出的相空間將由具有臨界溫度的超導圓頂所取代，該臨界溫度可與具有強絕緣子的設備相比。此外，作者發現半懸浮的絕緣子會重新出現在0.4特斯拉的較小平面外磁場中，從而產生Chern數為2的量化霍爾狀態。研究表明，應重新檢查經常假設的莫爾石墨烯中絕緣相和超導相之間的“親子關系”，并提出了一種直接探測強相關系統中超導微觀機制的方法。

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Untying the insulating and superconducting orders in magic-angle graphene

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

15.加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室：通過零模超晶格在石墨烯納米帶中誘導金屬性

石墨烯納米帶（GNR）中堅固的金屬態的設計和制造具有挑戰性，因為當石墨烯在納米長度尺度上圖案化時，橫向量子限制和多電子相互作用會引起電子帶隙。自下而上合成的最新進展使原子精確的GNR設計和表征成為可能，但是實現GNR金屬性的策略卻難以捉摸。

加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室通過將零能量模式的對稱超晶格插入否則為半導體的GNR中，展示了一種用于在GNR中誘導金屬性的通用技術。作者使用掃描隧道光譜以及第一原理密度泛函理論和緊密結合計算來驗證所得的金屬性。這個結果表明，可以通過有意地使子晶格對稱性破裂來控制零模波函數的重疊，從而在很大的范圍內調整GNR中的金屬帶寬。

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Inducing metallicity in graphene nanoribbons?via zero-mode superlattices

Science, 2020, 10.1126/science.aay3588

16.橡樹嶺國家實驗室和埃朗根-紐倫堡大學:直接在金屬氧化物表面上合理合成原子精確的石墨烯納米粒子

原子精確的石墨烯納米帶（GNR）由于其高度可調的電子，光學和傳輸特性而引起了極大的興趣。但是，GNR的表面合成通常基于金屬表面輔助的化學反應，其中金屬基質強烈地篩選了其設計者的電子性能并限制了其進一步的應用。

橡樹嶺國家實驗室和埃朗根-紐倫堡大學提出了一種表面合成方法，可以直接在半導體金屬氧化物表面上形成原子精確的GNR。前體設計中的熱觸發式多步轉化依賴于碳溴（C-Br）和碳氟（C-F）鍵的高選擇性和順序活化以及環脫氫。掃描隧道顯微鏡和光譜證實了由明確定義的之字形末端終止的平面扶手椅式GNR的形成，這也揭示了GNR與金紅石型二氧化鈦基質之間的弱相互作用。

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Rational synthesis of atomically precise graphenenanoribbons directly on metal oxide surfaces

Science, 2020, 10.1126/science.abb8880

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