近日，中國科學技術大學教授謝毅課題組在石墨烯基超晶格材料的合成及應用領域取得新進展。研究人員通過利用空間限域生長的策略，首次在溶液中合成出釩氧骨架-石墨烯超晶格材料并顯示出大幅度增強的磁熱效應，研究成果在線發表在Nature Communications上。
眾所周知，超晶格材料由于其特殊的界面電子結構帶來奇特的物理性質，近年來引起了廣泛的研究興趣。然而傳統的超晶格材料通常是通過昂貴的脈沖激光沉積或分子束外延生長獲得，這也意味著后續的實際應用需要經過復雜的過程將所獲得的超晶格從生長襯底上轉移。與此同時，最新的研究結果表明，石墨烯具有獨特的雙極電子特性，當與其他材料復合時，可作為電子給體或電子受體來有效調節材料的電性能，因此石墨烯基超晶格材料由于糅合了超晶格特殊的界面性質及石墨烯獨特的電子結構，有可能帶來一系列傳統材料不存在的新性能。
針對上述挑戰，該課題組首先提出了一種新的空間限域生長策略制備石墨烯基超晶格材料的方法，獲得了完美堆垛的單層石墨烯-單層氧化釩-單層石墨烯的超晶格結構，克服了傳統生長超晶格材料的缺點。在這種石墨烯基超晶格材料中，石墨烯不僅可以作為一個獨特的空間限域反應器使釩氧層沿著石墨烯面二維生長，而且可以作為電子給體，引起釩氧層結構的結構重組，降低生成高對稱性釩氧骨架的生成能。
該課題組與國家同步輻射實驗室韋世強教授課題組合作，利用同步輻射X-射線吸收精細結構譜對該超晶格的精細結構進行了詳細表征。結果表明，超晶格中的釩氧層的對稱性明顯大于在自由空間得到的VO2(B)，并導致了一級可逆相轉變的出現及由之產生的磁熱效應，這種相轉變類似于VO2(M)-VO2(R)相變過程中對稱性由高到低的轉變。由于超晶格中二維的單疇結構和石墨烯層的應力作用，這個轉變過程中的磁熵變值相比于VO2(M)-VO2(R)相變的磁熵變值提高了8倍。
重要的是，這種柔性的超晶格納米片材料是用低成本的溶液法制得，避免了傳統超晶格材料制備中復雜的轉移過程，因此適應于各種功能器件的組裝，有望加速超晶格材料的實際應用。
空間限域生長合成石墨烯基超晶格示意圖及其磁熱效應
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