石墨烯自发现以来，不管是在物理还是材料领域，一直是热门的研究方向。经过多年研究攻关，中国科学院大学的研究团队在世界上首次实现了原子级精准控制的石墨烯折叠，构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构，这是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠，对构筑量子材料和量子器件等具有重要意义。2019年09月06日，相关成果以题为“Atomicallyprecise,custom-designorigamigraphenenanostructures”的文章在线发表在Science上。
通常，为了实现石墨烯纳米结构，研究人员会采用化学、电化学、机械剥离和辐照等方法。然而，这些方法往往不能得到结构规整、尺寸均一的石墨烯。这样一来，不合规的石墨烯纳米结构在制造石墨烯基器件时就会遇到极大的困难。探索新型低维碳纳米材料及其新奇物性是世界前沿的科学问题之一，相关研究曾两次获得诺贝尔奖。目前在单原子层次上精准构筑和调控基于石墨烯的低维碳纳米结构仍存在巨大挑战。
图1 利用STM进行石墨烯折叠
图2 精确控制石墨烯折叠过程
中国科学院大学的高鸿钧院士和杜世萱研究员（共同通讯作者）等人受到折纸工艺的启发，开发了新型的石墨烯设计加工工艺。该研究利用低温扫描隧道显微镜对石墨烯进行操控，研究人员沿任意指定方向对石墨烯纳米岛（GNIs）进行折叠-展开处理。经过反复的折叠-展开，研究人员获得了具有可调节扭曲角和层间管状边缘连接的双层石墨烯，经测量发现，扭曲角最大可至60度，加工精度可达至0.1度。研究人员进一步发现，折叠单晶GNIs能够创造具有特定手性的管状边缘，具有与碳纳米管相似的一维电子特征。研究认为，原子级精确的石墨烯“折纸”术为纳米碳结构的构筑提供了新方法，并赋予石墨烯独特的量子性质，为最终用于器件制造和设计提供了新的机遇。
图3 一维管状结构的手性及电子特性
图4 构建一维碳材料异质结
高鸿钧院士介绍：这个就是纳米扫描探针，我们通过探针去操纵石墨烯转动，石墨烯是双晶结构，对双晶石墨烯折叠之后，就可以形成异质结。这个异质结本身如果做成器件的话，它就是一个非常有应用前景的量子器件。
据了解，该研究成果是目前世界上最小尺寸的石墨烯可控折叠。基于这种原子级精准的“折纸术”，还可以折叠其它新型二维原子晶体材料和复杂的叠层结构，进而制备出功能纳米结构及其量子器件。
高鸿钧院士：折叠之后，这些新型的二维原子晶体材料有可能由没有超导特性变成（有）超导特性，没有磁性可以变成有磁性。利用这样一些特性的变化去构造功能的量子器件，对未来的应用将会有重要的意义，比如量子计算等等。