激光网 1 月 17 消息，自 2004 年分离以来，石墨烯以其令人难以置信的特性吸引了研究人员，从机械强度超过钢到与银相媲美的导电性。然而，这种经常被大肆宣传的“神奇”材料迄今未能实现其巨大的承诺，彻底改变从电子到储能的行业。
通过结构和界面对石墨烯的内在品质进行可扩展的制造和微调仍然是巨大的挑战。如果这些障碍能够被清除，利用石墨烯奇特物理学的设备可以为计算、光子学、化学等领域的新范式提供动力。
Advanced Materials 报道的最新进展详细介绍了一种创新的自上而下的方法，用于断裂小于一纳米宽的石墨烯片。通过这种精确的原子尺度剪裁，石墨烯表现出强烈的光-物质相互作用，从室温超导特征到热载流子收获，这在以前是不可能的。
这些原子薄的石墨烯碎片被称为石墨烯亚纳米材料，表现出从超亮光致发光到极端非线性光吸收的奇特光电行为。压裂过程还可以对最终的GSN结构进行可重复的控制。随着进一步的发展，利用GSN中强烈的光-物质相互作用的设备和系统可以为下一代光子电路、光开关、光检测等提供动力。
石墨烯切片的厚度为数百层，仍然超过了需要单层或几层样品的应用。自上而下的剥离层从石墨颗粒上剥落的层已经得到改善，但实现10纳米以下的薄片仍然很少。这种超窄石墨烯释放了量子效应和边缘效应，极大地放大了特性。然而，直接的物理研磨方法往往会产生高度不均匀的碎屑。
化学合成方法可靠地产生原子精确的纳米团簇和配合物。然而，自下而上的结构无法复制石墨烯的原始蜂窝晶格和源于能带结构的奇异电磁行为。纯物理压裂保留了这些先天特征，同时获得了当前自上而下技术难以实现的原子维度。
最近的研究表明，通过替代球磨方法生产尺寸约为 3 纳米的石墨烯片。然而，进一步减小尺寸低于 1 nm 仍然极具挑战性。将机械剥离技术扩展到单一晶格尺寸，突破了机械粉碎的基本限制。
这项新工作通过优化的球磨技术实现了亚纳米切片这一长期追求的目标。迭代采用具有不同粒径、硬度和碰撞动力学的微珠组件标签组，将石墨钻头断裂到几乎单个碳原子。冲击通过铣削基质不断刷新，将热效应或污染降至最低，从而最大限度地提高切片效率。
从结晶石墨薄片开始，用毫米级珠子进行初步粗磨，将散装样品剪切成数十纳米厚的血小板堆。中间研磨阶段取代了仅 450 纳米宽的硬质二氧化硅微球以及大研磨珠。配对横向撞击颗粒，将阵列撕成逐渐变薄和更小的薄片。
最后，更小的100纳米珠子取代了一些微球，接近石墨烯的固有原子尺寸。与之前的步骤相比，表面相互作用、赋予的动能和接触压力呈指数级攀升。这种极端的机械胁迫最终将顽固的层切成平均直径为0.54纳米的碎片，原子力显微镜证明了这一点。拉曼光谱证实了六方网络通过石墨烯晶格的单原子末端宽度完全断裂。
这种精确可控的过程以惊人的规模生成了GSN样品，从块状石墨中产生了克级批次。分散碎石墨烯的溶液在一周以上保持稳定，没有明显的沉淀或聚集。这种可扩展性和可加工性预示着最终的商业应用。
GSNs显示出强烈放大的光-物质相互作用，反映了瞬态量子态和源于原子窄拓扑结构的盒子内粒子约束。如果没有沿面内和堆叠尺寸的导电通路，激发的电荷载流子堆积起来并在GSN边缘周围停留的时间更长，正如通过瞬态吸收光谱所显示的那样。
光致发光激发很容易触发宽带可见光波长发射，发出比量子尺度样品更亮的光。研究人员认为，暴露的碳键可能会引入辐射松弛的表面缺陷位点。他们还注意到NMP溶剂中GSN分散体特有的绿色光谱，这意味着某些相互作用选择性地调节弛豫通道。除了强度外，仅调整溶剂极性即可将输出颜色从绿色动态切换到蓝色。
但是，非线性吸收的指数级增强尤其可以通过实现对光的全光学控制来改变光学系统。GSN薄膜所需的光束能量仅为先前2D材料的一半，可测量地衰减强烈的激光照射，从几乎透明转变为不透明。研究人员将这种性能飞跃归因于光子捕获边缘的优势。太赫兹光束的光雕层可能很快就会出现。
这种突破性技术能够可靠地将原始石墨烯分裂成单个原子，从而解锁了迄今为止无法进入的纳米结构体系。通过优化，金刚石和类似的元素晶格也可能屈服于极端断裂成奇异的同素异形体。然而，除了为控制化学键的机械破坏的基本限制提供新的启示外，GSN还具有独特的桥梁结构和功能。通过在原子水平上篡改石墨烯，复杂的手段是处理和引导光向超薄光电子学、电信和光谱学开放。
