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西安交大发现石墨烯边缘自发缝合现象
2025年12月03日 10:26:56
来源：化工仪器网 作者：杨 点击量：4796
令人惊奇的是，在新制备的双层石墨烯边缘上，研究团队首次观察到自发缝合现象：上下两层边缘的瞬态碳自由基在极短时间内自发键合，形成完美无悬键的半管状封闭结构。
近日，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室自旋电子材料与量子器件中心潘毅教授课题组在国际期刊《纳米快报》(Nano Letters)上发表题为“Spontaneous Closing of Torn Bilayer Graphene Edges via a Self-Healing Mechanism”的研究论文，揭示了石墨烯边缘结构的一种自修复行为，为未来纳米器件的精准设计与性能调控开辟了新路径。
研究团队在极端实验条件下——超高真空(<10⁻⁸ Pa)与极低温(4.5 K)环境中，利用扫描隧道显微镜(STM)针尖作为原子级“加工刀”，通过场蒸发效应在双层石墨烯上精准制备出具有特定晶体取向的边缘结构，包括锯齿型(zigzag)和扶手椅型(armchair)边界。
令人惊奇的是，在新制备的双层石墨烯边缘上，研究团队首次观察到自发缝合现象：上下两层边缘的瞬态碳自由基在极短时间内自发键合，形成完美无悬键的半管状封闭结构。这一过程如同材料在原子尺度上实现了“自我修复”，使得原本活性高、不稳定的边缘变得结构完整且化学惰性。
石墨烯边缘的结构和化学性质直接影响其电学、磁学和化学性能。传统制备的石墨烯边缘常存在悬键，导致稳定性差、易团聚、性能衰减。该研究发现的“自发缝合”机制提供了一种获得稳定边缘结构的新途径，为边缘态调控与功能化奠定了实验基础。
锯齿型边缘具有特殊的磁学与电子学性质，是构筑自旋电子器件和拓扑量子器件的理想平台。自发形成的半管状封闭结构不仅消除了悬键带来的干扰，还可能引入新的边界电子态，为设计新型低维量子器件提供了结构原型。
该现象展示了一种在低维碳材料中存在的本征自愈行为，为理解低维材料的稳定性与反应动力学提供了新视角，也为其他二维材料的边缘工程与缺陷修复带来启示。
潘毅教授课题组的这项工作，不仅首次在实验上实现了双层石墨烯边缘的自发完美闭合，更从物理机制上揭示了二维材料边缘结构的一种内在自组织能力。该发现未来有望应用于高性能纳米电子器件、量子信息材料和化学传感等领域，推动石墨烯及相关二维材料从基础研究走向功能化应用。
参考资料来源：中国科学报
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