转角双层石墨烯本科毕业论文

扭转双层石墨烯可视作两层石墨烯以一定的扭转角度堆叠而成，其表面会形成随扭转角度变化的摩尔周期势，其能带结构也受扭转角度的调制。例如，两层石墨烯的能带耦合会导致态密度上范•霍夫奇点的出现，从而赋予其角度依赖的光电特性；非公度扭转角的石墨烯则具有极小的摩擦力；而魔角（~ ）扭转石墨烯则具有一系列新奇的量子效应，引发了人们极大的研究兴趣，催生了新的研究领域——扭转电子学（Twistronics）。目前，实验室的扭转双层石墨烯通常是通过人工堆叠的方法制备。如何通过生长的方法直接制备具有各种扭转角度的双层石墨烯是该领域需要解决的重要问题。

基于金属衬底的化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition, CVD)法被认为是生长高品质石墨烯最有前景的方法，然而，由于AB堆垛具有更高的能量稳定性，CVD高温生长的双层石墨烯更趋向于形成AB堆垛而非扭转双层石墨烯。因此，打破AB堆垛石墨烯在能量上的优势，在高温下实现层间扭转成为一项重要挑战。

近日， 北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士团队 及其合作者提出了“异位成核”(Hetero-site nucleation)的生长策略，通过在生长过程中引入气流扰动控制第二层石墨烯的成核位点，使两层石墨烯的晶格取向分别受到不同区域衬底的诱导，从而得到大比例的扭转双层石墨烯（图1）。

图1. 异位成核法生长策略及生长结果

一般情况下，铜表面石墨烯的生长遵从“自限制”生长模型，而当氢气分压较大时，石墨烯的边缘会从金属钝化变为氢饱和终止，导致边缘与金属的相互作用变弱，并阻碍单层石墨烯的生长，因此活性碳物种可“钻”入第一层石墨烯和铜之间进行第二层的生长。而第二层石墨烯与衬底的相互作用强于石墨烯层间的相互作用，这一特点为层间扭转提供了可能。但仅仅依靠衬底的作用还不足以形成扭转，因为石墨烯的晶格取向在成核初期即被决定，如果两层石墨烯在同一位点成核，则相同的成核环境会使两层石墨烯晶格取向一致，形成AB堆垛石墨烯。

研究人员发现，当两层石墨烯的成核位点不同时，由于衬底的台阶、扭结、位错或颗粒等微观环境的不同，层间扭转的概率会显著增加。为实现第二层石墨烯的可控成核和生长，研究人员采用了扰动生长的策略，即在CVD生长过程中改变氢气和甲烷的分压，调控石墨烯边缘的终止态和附近的局域碳物种浓度。这一方法得到了12C/13C同位素标记生长实验的验证：分别在第5 min、10 min引入“扰动”，第二层的成核时间恰好对应于5 min和10 min，第二层的成核位点也恰好在12C/13C 的交接处，所得到的石墨烯为~30 -tBLG和~9 -tBLG（图2）。同时，不采用扰动的结果则表现为AB堆垛双层石墨烯，这证明了该方法的有效性。

图2. 同位素标记实验结果

研究者还总结了“扰动——异位成核”方法的关键参数，通过控制两步生长法的氢气、碳源比例（图3），实现了高扭转比例（88%）的tBLG。高分辨透射电镜的表征显示出清晰的摩尔条纹（图4）；电学输运测量表明其具有超高的室温载流子迁移率（68,000 cm2V 1s 1）（图5）；角分辨光电子能谱测量显示出清晰的线性能带结构和范·霍夫奇点。这些均证明了通过该方法得到的tBLG具有超高的品质。

图3. 异位成核法生长参数

图4. TEM表征结果

图5. 迁移率测试结果

作者提出了异位成核（Hetero-site nucleation）的策略，通过引入气流扰动控制第二层石墨烯的成核，使两层石墨烯的晶格取向分别受到不同区域衬底的诱导，从而打破了AB堆垛能量最低的限制，实现了大比例的扭转双层石墨烯的制备。该方法为扭转石墨烯及二维材料的制备提供了新的思路，为近年来新兴的扭转电子学研究奠定了材料基础。

相关研究成果以“ Hetero-site nucleation for growing twisted bilayer graphene with a wide range of twist angles ”为题发表在 Nature Communications 杂志上。北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士、彭海琳教授，新加坡国立大学博士后林立，中国科学技术大学黄生洪副教授为本文通讯作者，北京石墨烯研究院孙禄钊博士、曼彻斯特大学王子豪博士、北京大学博士生王悦晨为第一作者，合作者还包括曼彻斯特大学Kostya S. Novoselov教授、苏州大学Mark H. Rummeli教授、中国科学技术大学李震宇教授和牛津大学陈宇林教授等。该论文涉及到的研究工作得到了北京大学化学与分子工程学院、北京分子科学国家研究中心、 科技 部、国家自然科学基金委和北京市科委的资助。

论文链接：

人生的价值不是用时间，而是用深度去衡量的。这句话对于曹原来说太准确不过了。18岁荣获中国科学技术大学本科生最高荣誉郭沫若奖金，22岁的他被《自然》评为2018年影响世界的十大科学人物。如此传奇的小伙。

他真的如传闻那样骇人听闻吗？难道就没在遇到过失败吗？年纪轻轻就能取得骇人成就，当真只是其智商超群吗？到底是什么论文居然因此被《自然》评为影响世界科学的十大人物？拨回时间的指针，让我们真正的了解这位天才人物。

乡里有个“超人”叫曹原

他从小便被乡里称之为“超人”，大多数人的初中都是按部就班就此慢慢的学习三年，然后考到高中。可对于曹原来说，三年太长了，不到一年时间，他便学完了初中所有知识，并考到了深圳耀华实验学校。

他也随家人从四川来到了深圳求学。深圳耀华实验中学是一所以“超常教育”闻名远扬的学校，来到这里后，学校将他和另外两个同学开了设一个班。这个只有三个人的小班，真正的能让老师做到因材施教。笔者猜想，这一段时期老师的因材施教对他后续的成就起到了的帮助。

其实从开篇渺渺几语中，我们也能窥探出其父母对于孩子的教育理念。兴趣是最好的老师。

你会因为硝酸银很贵且难买而不能做中学化学实验，便将妈妈的银镯子放到硝酸中置换出硝酸银吗？我想，大多数人都会放弃，或因畏惧而不敢拿妈妈的手镯，但曹原敢，而且他的妈妈并未责怪他，相反更是鼓励他。

为了更好的发展孩子的兴趣，家里还专门为他准备了一所专用的实验室，供他在家里做实验。看到这里，你是否很感慨？当你拆解玩具时，用银镯子做实验的时，家长的责骂便也来了？当你捣鼓一些零部件时，你的家长是否会骂你不学无术？当你热爱一件事物，家里能否承担的起你的兴趣？

天才中的天才

高中时期，他同样也没有让人意外，最后凭借669分被中国科技大学少年英才班录取，并被中科大全校英才班标杆之一的“严济慈物理英才班”选中。

而在大学期间，依然卓尔不群，是“天才中的天才”。在国内有“科研杀手”之称的“丁老怪”丁泽军老师，也不吝啬的说曹原是个“很聪明的家伙”。中科大教授曾长淦对曹原的评价也不低“曹原是如此的令人放心，他永远会想尝试其他的软件方法。才气过人的天才往往恃才傲物，但曹原却非常的低调沉稳，情商非常高”。

同级同学需要用一年才能完成的科研项目，对他来说，一个寒假基本就能搞定。当然，这其中或许其中多少有点夸张的成分，但凡事不会是空穴来风。毕竟曹原是大学毕业能拿到中科大本科生最高荣誉奖“郭沫若奖学金”的同学，然后又被导师推荐到麻省理工深造。

但这并不是第一次到国外学习，2012年首批奔赴密歇根大学做交流生的人就有他一个。2013年又被牛津大学邀请，做两个月的科研实验。

由此可见，称之为天才中的天才也是无可挑剔的。学生对他仰慕有加，老师对他赞不绝口，这样一个有才华且十分会做“人”的人，试问，有多少天才又能做到？

异乡求学，轰动世界

2014年来到麻省理工，进入了巴勃罗·赫雷罗(Pablo Jarillo – Herrero)的MIT团队。有意思的是，此次加入MIT团队并不是一帆风顺。最后通过各种努力才通过电器工程系加入到MIT团队。从而得以继续从事物理学研究。

做研究的这辈子都跟时间耗上了，曹原在麻省理工花费了六个月时间从而得出的研究成果，最后才发现原来是实验装置碰巧才得出的数据。可他仅仅是有点不开心，然后又投身到科研实验中了。

皇天不负有心人，不懈的付出，终会有所收获。遂在2018年他成功在Nature连续发表的两篇震惊世界的科研成果。被Nature称之为“石墨烯的驾驭者”。

众所周知，石墨一直受到科学研究工作者的青睐。对石墨的特性研究，除了超导特性外，其他的特性都已基本得到开发。自从20世纪八十年代，铜氧化物材料的超导特性，得以掀开。推进了对超导体的研究，而后的30年里超导领域就一直处于黑暗时代，研究停滞不前。

相关的理论研究已经表明，石墨能具有一定的超导特性。并且，MIT的团队当时已经开始进行将碳片堆叠、旋转的研究。但是实验差强人意。2017年。曹原在研究中发现石墨烯的排列结构中具有非常规超导体因子，这一发现对他来说，无疑是振奋人心的。但科学界对此嗤之以鼻。

面对各种质疑的眼光，曹原选择继续走下去，更加刻苦的研究，上天从来不会忘记那些拼命努力的人，当他将两层石墨烯材料叠加在一起同时将旋转到“魔法角度”°并将温度达到是时，他由此打开了超导研究的有一大门！

也许有人会说，这么简单的操作，为什么就只有曹原会做？事实上，理论是证明确实简单，但真正的要想将理论化为实际，在物理学里面，具有非常大的挑战性。

最重要的，还是其对于此次实验操作结果的敏锐性，其实在知乎爆料中，有人其实曾和曹原的结果失之交臂。最终，这个研究者也只是觉得好奇而已，并未曾深究。所以说，他的两篇轰动世界的论文，不仅仅是偶然，更重要的是其不气馁，勇钻研的决心，是相信自己的必然产物。

在知乎问答“如何评价MIT Pablo Jarillo-Herrero研究组在石墨烯超晶格体系中发现超导？”提问中，曹原亲自回答解释说，自己的第一篇文章提供了一种用于研究未来电子-电子的强关联效应，这是一种全新的、能调节的平台；而第二篇则解释了困扰物理学家研究30年的高温超导之惑，为物理学提供了一个前所未有的体系。

如今，两年过去了，2020年5月6日，曹原再一次背靠背在《自然》中发表了两篇文章。

第一篇论文，曹原作为第一作者和并和其导师同为通讯作者，该篇文章研究基于小角度扭曲的双层-双层石墨烯进行，由此，证明了自旋极化基态的存在。

第二篇文章，曹原只是排在第三位的共同作者，此篇论文将六方氮化硼封装的魔角扭曲双层石墨烯作为研究对象。

总的来说，这两篇论文是曹原对于石墨烯超导研究的再一次深入挖掘，不断的研究，不断地超越，这便是他一直在做的！在他的心里，早已将一生托付给了精彩的科研工作。对于实验，热爱到极致，在物理世界的汪洋海洋里探索无尽的未知世界便是他最大的乐趣。

心系科大，胸有国家

在2018年发表了两篇轰动世界的论文后，美国也曾找到他，给出他美国国籍，但他婉拒了。

而曹原的选择是回母校中科大，也恰好碰到了学校40周年庆，他的答卷就成了对母校最厚重的礼物。当面临各种邀请和赞誉时，他回答道“我是一个中国人，学成后要回国的”。

心系祖国的人才才能真正算作中国的人才，才有可能为祖国的发展出一份力。只希望曹原能平安的学完技术，回国推动相关领域的发展！

张载曾言：人若志趣不远，心不在焉，虽学无成。可见，并不仅仅只是智商高就能成为天才，伤仲永的故事总是在发生。父母早期对孩子兴趣的培养，强劲的动手能力，学校的因材施教才，这些都为其后来的成功起了很大的帮助。

而笔者此篇文章，通过大量的事件，尽可能地让我们走近曹原，分析他所做的事，尽可能理性的推断出他取得成就的原因，让我们更加的深入了解曹原，而不是人云亦云，甚至神化曹原。

如今的他凭借着自己的努力，取得了很大的成就。他是一个非常努力的人。特别的优秀。

非常好，如今已经全身心得投入了科研工作，也为中国做出了很大贡献，也说明他是一个非常爱国得中国天才。

曹原主要是做凝聚固态物理方面的研究，他在2018年发现了石墨烯超导角度。