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第一作者：Cheng Hu, Jiajun Chen, Xianliang Zhou, Yufeng Xie

通訊作者：史志文

通訊單位：上海交通大學

論文速覽

范德華(vdW)組裝低維材料已被證明具有創(chuàng)建具有按需屬性的結(jié)構(gòu)的能力。據(jù)預測，vdW封裝可以引起幾個GPa的局部高壓，這將強烈改變被捕獲材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。本文研究了范德華（vdW）封裝對碳納米管（CNTs）結(jié)構(gòu)的影響。

研究表明，通過簡單地用六方氮化硼（hBN）片覆蓋CNTs，大部分CNTs（約77%）從管狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗莸钠矫娼Y(jié)構(gòu)。所有塌陷的CNTs均展現(xiàn)出約0.7納米的均勻高度，這大致相當于雙層石墨烯的厚度。通過拉曼光譜進一步確認了CNTs的結(jié)構(gòu)崩潰，顯示出拉曼G峰的顯著展寬和藍移。通過分子動力學模擬確認了vdW封裝誘導的CNTs塌陷過程，揭示了局部vdW壓力可達數(shù)GPa。

此外，近場光學表征揭示了CNT結(jié)構(gòu)塌陷伴隨的金屬-半導體轉(zhuǎn)變。本研究不僅提供了一種方便的方法來產(chǎn)生局部高壓以進行基礎(chǔ)研究，而且還為納米電子應用提供了一種塌陷的CNT半導體。

圖文導讀

圖1：hBN封裝誘導的CNT結(jié)構(gòu)塌陷示意圖。通過原子力顯微鏡（AFM）測量的CNT直徑為1.8納米，hBN封裝后其高度從1.8納米降至0.7納米，表明CNT發(fā)生了結(jié)構(gòu)塌陷。通過拉曼光譜進一步確認了CNT的塌陷，G峰寬度從11 cm^?1增至63 cm^?1，藍移7 cm^?1。

圖2：通過分子動力學（MD）模擬展示了hBN封裝CNT的過程。模擬顯示，局部壓力可達約10 GPa，與之前預測相符。模擬結(jié)果表明，不同直徑的CNT在vdW層間作用下都會嚴重壓縮。

圖3：統(tǒng)計CNT塌陷比例的分布直方圖。在hBN封裝的CNT中，約77%的CNT發(fā)生了塌陷，這表明了相當高的塌陷比例。

圖4：通過近場光學表征揭示CNT結(jié)構(gòu)塌陷伴隨的金屬-半導體轉(zhuǎn)變。選擇一個特定CNT樣本，該樣本在hBN覆蓋區(qū)域內(nèi)既有塌陷部分也有圓形部分，以便直接觀察塌陷引起的近場光學響應變化。

總結(jié)展望

本研究展示了通過vdW封裝產(chǎn)生局部數(shù)GPa高壓的新方法，這種方法能夠以高達約77%的比例誘導CNTs的結(jié)構(gòu)塌陷。通過分子動力學模擬和實驗觀察，我們證實了結(jié)構(gòu)塌陷能夠在金屬CNT中打開能隙，誘導金屬-半導體轉(zhuǎn)變。

這為制造具有可調(diào)諧能隙的塌陷CNTs提供新方法，有利于其在電子和光電子領(lǐng)域的實際應用。此外，vdW封裝為探索納米尺度的新型高壓現(xiàn)象提供了一種簡便的方法。

文獻信息

標題：Collapse of carbon nanotubes due to local high-pressure from van der Waals encapsulation

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47903-3

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