石墨烯堆叠的发现可能预示着量子应用的新时代

石墨烯是一种排列在二维蜂窝晶格中的单层碳原子，以其卓越的性能而闻名：令人难以置信的强度（比钢强约200倍）、重量轻、柔韧性以及出色的导电性和导热性。这些特性使石墨烯在各个领域的应用中变得越来越重要，包括电子、储能、医疗技术，以及最近的量子计算

众所周知，石墨烯的量子特性，如超导性和其他独特的量子行为，是在石墨烯原子层被精确堆叠和扭曲以产生“ABC堆叠域”时产生的。从历史上看，实现ABC堆叠域需要剥离石墨烯并手动扭曲和对齐具有精确取向的层——这是一个高度复杂的过程，很难在工业应用中扩展

现在，由Herman F.Mark化学和生物分子工程教授Elisa Riedo领导的纽约大学坦登工程学院的研究人员发现了石墨烯研究中的一个新现象，观察到生长诱导的自组织ABA和ABC堆叠域，这可能会启动先进量子技术的发展

这一发现发表在《美国国家科学院院刊》最近的一项研究中，展示了三层外延石墨烯系统中的特定堆叠排列是如何自然出现的——消除了对传统上用于石墨烯扭曲制造的复杂、不可扩展技术的需求

这些研究人员，包括之前在纽约大学担任博士后的Martin Rejhon，现在已经观察到在碳化硅（SiC）上生长的三层外延石墨烯系统中ABA和ABC结构域的自组装。通过使用先进的导电原子力显微镜（AFM），研究小组发现这些结构域是自然形成的，不需要手动扭曲或对齐。这种自发组织代表了石墨烯堆叠域制造的重要一步

这些堆叠域的大小和形状受到应变和三层石墨烯区域几何形状的相互作用的影响。一些域形成条状结构，宽数十纳米，延伸超过微米，为未来的应用提供了有前景的潜力

这些自组装的ABA/ABC堆叠结构域可能会在量子器件中带来革命性的应用。例如，它们的条形配置非常适合实现非传统量子霍尔效应、超导性和电荷密度波。这些突破为利用石墨烯量子特性的可扩展电子设备铺平了道路

这一发现标志着石墨烯研究的一个重大飞跃，使科学家们更接近于实现这种非凡材料在下一代电子和量子技术中的全部潜力 More information: Martin Rejhon et al, Spontaneous emergence of straintronics effects and striped stacking domains in untwisted three-layer epitaxial graphene, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2408496121

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences