石墨烯的原子尺度裁剪接近宏观世界

材料的特性通常由其原子结构的缺陷来定义，尤其是当材料本身只有一个原子厚时，例如石墨烯。维也纳大学的研究人员现在已经开发出一种方法，可以在接近宏观世界的长度尺度上受控地将此类缺陷生成到石墨烯中。这些结果由原子分辨显微镜图像证实并发表在Nano Letters 杂志上，是为应用定制石墨烯和开发新材料的重要起点。

石墨烯由排列成鸡丝状图案的碳原子组成。这种只有一个原子厚的材料以其许多非凡的特性而闻名，例如极高的强度和非凡的导电能力。自发现以来，研究人员一直在寻找通过对其原子结构的受控操纵来进一步定制石墨烯的方法。然而，直到现在，由于大样本的原子分辨率成像和大数据集分析的挑战，这种修改仅在局部得到证实。

现在，维也纳大学 Jani Kotakoski 周围的团队与 Nion Co. 将围绕原子分辨率 Nion UltraSTEM 100 显微镜构建的实验装置与通过机器学习进行成像和数据分析的新方法相结合，以实现石墨烯的原子级控制宏观样本量。实验过程如图 1 所示。

该实验首先通过激光照射清洁石墨烯，然后使用低能氩离子照射对其进行可控改性。在真空下将样品转移到显微镜后，它会通过自动算法以原子分辨率成像。记录的图像被传递到神经网络，该网络识别原子结构，提供样品原子尺度变化的全面概览。

“实验成功的关键是将我们独特的实验设置与新的自动成像和机器学习算法相结合，”该研究的主要作者阿尔贝托·特伦蒂诺 (Alberto Trentino) 说。“开发所有必要的部件是一个真正的团队努力，现在它们可以很容易地用于后续实验，”他继续道。事实上，在大面积石墨烯的原子级修饰得到证实后，研究人员已经在扩展该方法，以利用所产生的结构缺陷将杂质原子锚定到结构上。“我们对创造从原子水平开始设计的新材料的前景感到兴奋，基于这种方法，”研究团队负责人 Jani Kotakoski 总结道。

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