石墨被發現“點石成金”

    美國麻省理工學院研究團隊日前通過將五層石墨烯以精確的順序堆疊在一起，發現了石墨的獨特性質。這種五層斜方體堆疊石墨烯可以表現出絕緣、磁性或拓撲特性，標誌着利用創新納米級顯微鏡技術在材料物理學領域的重大發現。

    研究人員指出，通過分離出以特定順序堆疊的五片超薄薄片，將石墨或鉛筆芯“點石成金”。由此產生的材料可以被調整，表現出天然石墨中從未有過的三種重要特性。這有點像一站式購物，自然界有很多驚喜，能夠承載如此多特性的材料非常罕見。

    石墨由石墨烯組成。石墨烯是導熱及導電性極佳的透明納米材料，可用來發展出更薄、導電更快的新一代電子器件，它是由單層碳原子排列成類似蜂巢結構的六邊形。而石墨烯自二十年前首次被分離出來後，就一直是研究團隊研究的焦點。大約五年前，包括麻省理工學院的一個研究小組在內的研究人員發現，將單個石墨烯薄片堆疊起來，並以微小的角度相互扭曲，可以賦予這種材料從超導到磁性的新特性。“扭轉電子學”領域由此誕生。

    研究人員指出，塊狀石墨甚至單片石墨烯都是良好的導電體，團隊分離出的這種材料被稱為五層斜方體堆疊石墨烯，它的性能遠遠超出了各部分的總和。分離這種材料的關鍵於二○二一年在麻省理工學院製造的一種新型顯微鏡，這種顯微鏡可以在納米尺度上快速、相對廉價地確定材料的各種重要特性。五層斜方體堆疊石墨烯的厚度只有幾十億分之一米。

    全球多地的科學家一直在尋找非常精確的順序堆疊的多層石墨烯，即斜方體堆疊。研究人員指出，五層石墨烯可能有十多種堆疊順序，斜方體只是其中之一。麻省理工學院製造的顯微鏡，被稱為散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM），它使研究人員能夠識別和分離出他們感興趣的斜方體堆積順序中的五元層。在此基礎上，研究團隊將電極連接到由氮化硼“麵包”組成的微小夾層上，以保護五層斜方體堆疊石墨烯微妙的“肉”。通過電極，他們可以用不同的電壓或電量來調節系統。研究顯示，根據充入系統的電子數量，會出現三種不同的現象。研究人員指出，我們發現這種材料可以是絕緣的、磁性的或拓撲的，他們與導體和絕緣體都有些關係。

    下一步，研究團隊的工作將斜方體堆疊多層石墨烯確立為一個高度可調的平台，用於研究更多拓撲物理學的新知識。

    多    姿