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    王鳴生教授課題組在碳基納米減材制造方向取得系列進展
    發布時間: 2020-05-13
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    近日,我院王鳴生教授課題組在TEM碳基納米減材制造方向取得重要進展。結構決定性質,對于石墨烯為代表的二維材料尤其如此。為了充分利用石墨烯的優越性能,人們需要對其主要結構參數進行全面控制,包括其形狀、尺寸以及邊緣手性和粗糙度等。課題組最近將傳統的減材制造的概念引入到石墨烯的加工,提出了一種基于納米“銑刀”的非接觸式的石墨烯裁剪方法,并在透射電子顯微鏡(TEM)中演示了這一技術。通常的銑削加工基于機械剪切力將材料從其表面或邊緣去除,而這對于石墨烯這種極高強度的材料顯然是不適用的。為此,該工作制備了一種特制的納米銑刀,即尖端有石墨化碳保護的鎢納米針尖。在特定范圍的偏壓下將此銑刀靠近石墨烯邊緣,使邊緣碳原子被逐步蒸發,從而對一片懸空石墨烯片進行高精度的可控納米裁剪。第一性原理計算揭示其原子蒸發機理:由電子隧穿引發帶間激發,并輔以焦耳熱,致使C-C鍵斷裂。通過移動探針,可以對石墨烯片進行任意修剪,類似宏觀尺度下的銑削加工,從而實現對單片石墨烯的形狀、尺寸以及邊緣手性方向的任意控制(圖1a-c)。這種非接觸式“銑削”加工得到的石墨烯邊緣粗糙度可以達到亞納米;若再通過原位退火,可進一步提升至原子級平整度,獲得接近完美的armchairzigzag邊緣(圖1d-g)。利用這種剪裁技術來改變石墨烯陰極的形狀和尺寸,可以有效地調節其場發射性能(圖1i-l)。



    相關成果以“Shaping and Edge Engineering of Few-Layered Freestanding Graphene Sheets in a Transmission Electron Microscope為題在納米類頂級期刊Nano Letters (2020, 20, 2279)上發表,并被選做封面論文(圖1h)。課題組博士研究生趙龍澤與南方科技大學助理教授羅光富為該論文并列第一作者,王鳴生教授為本文通訊作者。

    此外,王鳴生教授課題組近期還發現了一種納米尺度下特有的碳基減材制造方式,用以制造世界最細碳管。原位TEM研究表明,當電子束輻照輔以一定高溫,少壁碳管可以均勻而無損的連續收縮。該工作提出了基于純5|7位錯攀爬的碳原子對有序蒸發機制很好地解釋了這一現象(圖2)。與常規的碳管可控生長相反(其本質是原子有序累加),這里首次提出通過原子有序遞減的減材模式來精確控制碳管直徑的概念。通過這種簡單的方法,任意一根少壁管都可以縮減到理論上的最小直徑:單壁管約為4?,2-4壁管分別為1.01、1.66、2.41納米(其最內層是~3?)。這是目前已知的在實驗上可以獲得的能夠自支持的最小1-4壁碳管。4?單壁管(2c,d)是理論上的極限,利用常規合成手段得到這種超細管是很困難的。該工作為制備和研究超細碳管及其電子輸運等物理性質提供了簡便的方法。而且,這種方法還具備批量制備的潛力,可以使數百或上千根碳管同時可控收縮。更重要的是,由于5|7位錯攀爬機制的存在,該技術還為碳管的手性控制開辟了新途徑。相關工作以“Top-down fabrication of small carbon nanotubes”為題,發表于RSC納米類旗艦期刊Nanoscale Horizons (2019, 4, 1310),課題組博士研究生程勇為該論文第一作者,王鳴生教授為本文通訊作者。




    Nano Letters 論文及封面鏈接:

    https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b04524

    https://pubs.acs.org/pb-assets/images/_journalCovers/nalefd/nalefd_v020i004-4.jpg?0.4732001303363338

    美國化學會ACS中文官媒報道:

    https://mp.weixin.qq.com/s/qRWUNrNsAjBLHsW4UWLKXg

    X-MOL專業資訊平臺報道

    https://www.x-mol.com/news/451090

    Nanoscale Horizons論文鏈接

    https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/NH/C9NH00285E

    材料科學與工程微信平臺報道

    https://mp.weixin.qq.com/s/XjIvDH0QMMM45sIR3qCcww

    王鳴生教授課題組網站:

    http://mswang.xmu.edu.cn


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