中科大揭示金屬納米粒子切割石墨烯的奧秘 找到切割石墨烯的“吃豆人”

據中科院網站30日報道，近日，中國科學技術大學教授李震宇等在金屬納米粒子切割石墨烯的機理研究中取得新進展，首次揭示了金屬納米粒子在石墨烯切割中扮演“吃豆人(Pac-Man)”的角色。該研究成果發表在5月24日的Angew. Chem. Int. Ed.上。論文第一作者為博士生邱宗仰。

在二維材料的很多應用中，需要先將它們切割成特定的形狀。雖然石墨烯可以在強氧化或者高能等離子體環境中進行切割，但是為了保證石墨烯樣品的質量，人們希望切割能在更加温和的條件下進行。其中一種可能的途徑是使用金屬納米粒子作為催化劑，在氫氣中進行切割。為了使切割過程更加可控，需要對其中的微觀機理有深入的瞭解。之前在對強氧化環境下石墨烯切割的研究中被廣泛接受的“拉鍊”機理，依賴於單個氧原子作為尖兵來切斷石墨烯中的碳-碳鍵。顯然這種基於單原子的“拉鍊”機理無法解釋納米粒子切割實驗中觀測到的諸多依賴於納米粒子尺寸的效應。因此，金屬納米粒子催化的石墨烯切割應當存在新的機理。為此，李震宇及其合作者採用多尺度模擬的方法，先在高温下使用反應力場進行分子動力學模擬得到定性的物理圖像，再在實驗温度下進行統計採樣(metadynamics)確定反應路徑，然後通過高精度第一性原理計算進行驗證，最後從動力學蒙特卡羅模擬中得到切割動力學。

研究表明，金屬納米粒子與石墨烯接觸時，石墨烯邊緣的碳-碳鍵被附近的金屬原子弱化直至切斷，形成的懸掛碳原子處於多個金屬原子包圍中，在懸掛鍵斷裂後被吞入金屬納米粒子內部。這一過程類似吃豆人遊戲中的吃豆過程，因此相關的機理被稱為“吃豆人”機理。被蝕刻的碳原子最後擴散到金屬納米粒子表面，在那裏與氫反應形成碳氫化合物分子後進入氣相。在“吃豆人”機理中，緻密的鋸齒型石墨烯邊緣的碳-碳鍵最難被打斷。但是，一旦一條完整的鋸齒型邊緣碳鏈中有一個碳-碳鍵被打開，其所在位置便形成一個開放的局域環境，進而使得周邊的碳原子很容易被蝕刻掉。這樣，像多米諾骨牌一樣，第一個碳-碳鍵的斷裂將觸發整條鋸齒型邊緣碳鏈的蝕刻，從而使得石墨烯和金屬納米粒子接觸的界面向前推進。

如果考慮單位時間內被蝕刻掉的碳原子的總數目，需要考慮兩個因素：一個是蝕刻溝道的寬度，正比於金屬納米粒子半徑；另外一個因素是溝道的長度，由納米粒子移動的快慢決定。根據觸發機制，蝕刻過程的大部分時間都花費在等待鋸齒型邊緣第一個碳-碳鍵被打開上。金屬納米粒子越大，石墨烯-金屬界面就越長，可以被觸發的碳-碳鍵數目越多，從而等待時間也就越短，納米粒子移動速度越快。最後，總的切割速率正比於納米粒子半徑的平方。這一結果解釋了實驗上切割速率正比於納米粒子表面積的觀測結果，同時指出切割過程中最關鍵的步驟並非發生在納米粒子表面而是在金屬-石墨烯的界面。

李震宇研究組近年來一直關注石墨烯切割機理，除了金屬納米粒子切割以外，對之前強氧化環境下基於“拉鍊”機理的石墨烯切割也進行了深入的研究，相關研究成果發表在J. Am. Chem. Soc.、J. Chem. Phys.等雜誌上。對這些切割機理的理解為二維材料處理加工過程中的精確調控提供了理論指導。

上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院和教育部等的資助。

金屬納米粒子催化的石墨烯切割的“吃豆人”機理示意圖