西安交大科研人员 发现极低温环境双层石墨烯撕裂边缘自发封闭的自缝合机制

原子级制造是未来原子尺度信息器件所需的关键技术。其中基于扫描探针显微镜的针尖操纵是原子级制造的一种重要手段，它可以实现单原子精度的结构构筑和精准调控，对石墨烯等二维材料则可以实现原子级精准折叠。未来石墨烯器件的制备需要对晶圆级样品进行原子级精度的图案化，然而在所形成的新鲜边缘上，原子重构和杂质吸附往往对器件输运特性产生影响。石墨烯边缘的原子级精度切割和边缘结构演化的微观规律仍然是有待探索的科学问题。

针对这一难题，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以扫描隧道显微镜（STM）针尖作为原子级加工的工具，实现了超高真空（<10^-8 Pa）极低温（4.5K）条件下基于针尖隧穿结场蒸发效应的石墨烯特定取向边缘制备，并在新制备的双层的锯齿型（zigzag）和扶手椅型（armchair）边界上发现了出乎意料的自发缝合现象，即上下两层边缘瞬态碳自由基自发键合形成完美无悬键的半管状封闭结构。其扫描隧道谱局域电子结构测量显示范霍夫奇点（van Hove singularity）特征，证实这种封闭结构与单层石墨烯翻折形成的半管状边界完全相同。其中armchair边界的自缝合现象还会因一个键长的滑移形成锁定的AA双层堆垛结构。这些发现为高质量石墨烯纳米器件未来原子级制造工艺提供了一种可供利用的新机制。

此项研究成果以《双层石墨烯撕裂边缘自发封闭的自缝合机制》（Spontaneous Closing of Torn Bilayer Graphene Edges via a Self-Healing Mechanism）为题发表于《纳米快报》(Nano letters)。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为该论文唯一完成单位，材料学院博士生李雪妍为论文第一作者，材料学院自旋电子材料与量子器件研究中心潘毅教授为通讯作者。

此外，该团队近期还利用STM原子操纵技术实现了单层石墨烯面内滑移诱导的双褶皱结构及局域Kekulé型电子结构调控（Carbon , 2025, 238, 120299），多晶石墨烯畴界鼓泡极性翻转调控（Carbon , 2026, 120890，in press）等二维材料原子级操控新方法。这些工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金面上项目及国家级青年人才项目的资助支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04158

潘毅教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/yi.pan