韩国基础科学研究所丁峰教授、张磊宁博士《ACS AMI》：石墨烯摩尔(Moiré)超结构在金属衬底上的形成机制

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随着石墨烯在不同过渡金属表面上的合成取得了巨大的成功，金属衬底对石墨烯结构和性质的影响也得到了人们的关注。在与石墨烯有较大晶格错配度的金属衬底上，石墨烯会呈现出周期性的结构起伏，我们称之为石墨烯摩尔超结构。这类石墨烯摩尔超结构是性能可控的选择性催化剂，也可以作为模板来调控金属团簇和各种有机分子的大小与排列，具有极高的应用前景。
近日，韩国基础科学研究所丁峰教授和张磊宁博士在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上发表了题为“Mechanism of Corrugated Graphene Moiré Superstructures on Transition Metal Surfaces”的文章（DOI: 10.1021/acsami.1c18512），成功揭示了石墨烯摩尔超结构在不同金属衬底上的形成机制。文章报道了在Ru(0001)、Rh(111)、Pt(111) 和Ir(111)等金属衬底上，石墨烯摩尔超结构的高度起伏依赖于石墨烯在衬底上的旋转角度。随着旋转角的增大，石墨烯摩尔超结构的高度起伏不断减小；当旋转角增大到一个转变角度的时候，石墨烯呈现完全平坦的结构。与平坦石墨烯相比，具有高度起伏的石墨烯摩尔超结构与衬底的结合能和相应的弹性能都有所增加。基于此，丁峰教授等人提出一个理论模型来描述石墨烯与衬底结合能和其自身弹性能间的相互竞争关系，从而预测石墨烯从起伏结构到平坦结构的转变。理论所预言的结果与目前所有的实验结果均高度一致。该工作为设计和筛选具有理想尺寸形貌的石墨烯摩尔超结构提供了理论指导，为石墨烯摩尔超结构在表面、界面科学中的应用铺平了道路。 图1在与石墨烯有较大晶格错配度的金属衬底上石墨烯摩尔超结构形貌变化示意图  
图2 石墨烯在金属衬底上的两种形貌的模型图，模型I中石墨烯呈现出一定的高度起伏，模型II中石墨烯具有均匀的平坦结构。
 
图3 (a) 石墨烯位于Ru(0001)表面的不同高对称构型； (b) 石墨烯在四种高对称构型位置上的结合能随着距离的变化；(c) Ru(0001)衬底上石墨烯摩尔超结构的原子模型图，不同颜色表示不同的高对称构型；(d) 关于石墨烯摩尔超结构弹性能的拟合；(e) 关于石墨烯摩尔超结构高度起伏程度的拟合；(f) Ru(0001)衬底上石墨烯摩尔超结构弹性能随着石墨烯旋转角的变化。
 
图4 (a) Rh(111)衬底上石墨烯摩尔超结构的原子模型图；(b) 石墨烯在Rh(111)衬底的四种高对称构型位置上的最大结合能和最优距离；(c) Rh(111)衬底上石墨烯摩尔超结构弹性能随着石墨烯旋转角的变化； (d) Rh(111)衬底上石墨烯摩尔超结构高度起伏程度随着石墨烯旋转角变化的DFT计算结果。  
图5 Rh(111)衬底上具有不同旋转角的石墨烯摩尔超结构的原子模型图。 
图6关于石墨烯摩尔超结构形貌变化的临界旋转角的理论预测值和实验测量值的比较。

原文链接

http://doi.org/10.1021/acsami.1c18512

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