针对二维层状材料拓扑结构操控的重大突破：原子力显微镜精确操纵石墨烯层间堆垛畴壁
一、 研究团队、发表期刊与时间
本项研究由来自美国加州大学伯克利分校物理系（University of California at Berkeley）的冯王（Feng Wang）教授、上海交通大学（Shanghai Jiao Tong University）的石志文（Zhiwen Shi）教授、中国科学院物理研究所（Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences）的高鸿钧院士以及加州大学伯克利分校的沈元壤（Yuen-Ron Shen）教授等多个团队合作完成。主要贡献作者为蒋丽丽（Lili Jiang）和王盛（Sheng Wang）。该原创性研究以“Manipulation of domain-wall solitons in bi- and trilayer graphene”（《双层与三层石墨烯中畴壁孤子的操控》）为题，于2018年1月22日在线发表在 *Nature Nanotechnology*（《自然-纳米技术》）期刊上（卷13，页204-208，2018年3月刊）。
二、 研究的学术背景与目标
本研究属于凝聚态物理、纳米科学和二维材料领域的交叉前沿。在石墨烯等多层范德华材料中，层与层之间不同的堆垛顺序（例如，双层石墨烯中的AB与BA堆叠，三层石墨烯中的ABA与ABC堆叠）会形成具有不同电子性质的畴区。分隔这些不同堆垛畴区的边界，即层间堆垛畴壁（Domain Walls, DWs），是一种一维的拓扑缺陷（或称为孤子）。这些畴壁因其独特的物理性质而备受关注：在双层石墨烯中，它们可以承载拓扑保护的量子谷霍尔边缘态；在-三层石墨烯中，ABA堆叠（半金属或半导体性）与ABC堆叠（半导体性）之间的畴壁构成了面内的金属-半导体异质结。因此，这些畴壁的结构直接决定了其电子输运、光学响应等关键性质。
然而，尽管研究者们致力于通过工程化位错来获得具有先进性能的材料，如何对块体材料中的单个位错（在本研究中即畴壁）进行精确操控，从而实现对材料局部结构和局部性质的精确控制，一直是一个悬而未决的挑战。以往的研究表明，高温加热或施加电场可以引发石墨烯中层间堆垛畴壁的移动，但缺乏一种可控的方式来将畴壁“雕刻”成特定的结构。因此，本研究旨在开发一种能够精确操控单个层间堆垛畴壁的方法，并借此创建具有设计原子结构的畴壁，从而为研究不同结构畴壁的物理性质提供理想的平台，并推动基于此类一维拓扑缺陷的功能器件的发展。
三、 详细的研究流程与方法
本研究主要包含三个核心环节：畴壁的纳米尺度成像、利用原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）进行畴壁的精确操控，以及对操控后结构的表征与分析。
1. 样品制备与畴壁成像 研究对象是通过机械剥离法获得的、天然存在层间堆垛畴壁的双层和三层石墨烯薄片，并将其转移至表面覆盖有285纳米二氧化硅的硅衬底上。由于畴壁在常规的AFM形貌图中不可见，研究团队采用了近场红外纳米显微技术来对畴壁进行原位成像。该技术基于轻敲模式的AFM，将波长为10.6微米的红外光聚焦到导电的AFM针尖尖端，针尖附近的局域增强光场与下方的石墨烯发生相互作用。通过收集远场的散射光信号，可以获取样品局域的光学信息。在双层石墨烯中，畴壁由于存在等离子体激元反射而在近场图像中显示为均质背景上的一条亮线；在-三层石墨烯中，ABA和ABC堆叠畴具有不同的红外响应（ABA区域更亮），因此畴壁表现为两个不同光学衬度区域之间的边界。这种方法使得研究者能够清晰定位石墨烯薄片中自然存在或后续人工制造的畴壁结构。
2. 畴壁的原子力显微镜操控 这是本研究的核心技术环节。在通过近场红外成像定位畴壁后，研究人员将AFM的工作模式切换为接触-抬升模式以执行操控。为了实现操控，他们进行了两项关键改进：首先，有意将AFM针尖尖端磨钝至直径超过100纳米，以增大作用面积；其次，通过设置一个较大的“抬升下降”距离（约1纳米），在针尖回扫过程中施加一个非常大的法向力（约40微牛，远大于常规接触模式的50纳牛），从而产生足够大的侧向摩擦力来克服移动畴壁所需的阈值能量。
具体的操控流程是：AFM在前进扫描时以常规接触模式工作，反馈开启以跟踪形貌；在回扫时，反馈关闭，针尖根据前进扫描获得的形貌轨迹移动，但会额外施加一个预设的“抬升下降”距离，从而在特定方向（即回扫方向）上对样品施加一个巨大的局域机械力。通过精确控制针尖的扫描路径、方向和区域，他们实现了对单个畴壁的多样化“雕刻”操作，包括：移动、擦除、分裂单个畴壁，以及湮灭或创建闭合环状的畴壁。例如，通过单线扫描跨越一个畴壁，可以将其移动数微米；通过在畴壁上方的特定区域进行连续线扫描，可以将其完全擦除；通过将畴壁的中段推向石墨烯边缘，可以将其分裂成两个独立的畴壁。
3. 畴壁运动的各向异性研究与结构设计 在操控过程中，研究者发现畴壁的运动表现出显著的各向异性，这成为了设计特定原子结构畴壁的关键。一个畴壁的原子结构由其位移矢量（即两层石墨烯在畴壁处的相对滑移方向）与畴壁线本身之间的夹角决定。主要分为三种类型：位移矢量平行于畴壁线（沿石墨烯晶格的一个扶手椅方向）的剪切型；位移矢量垂直于畴壁线（沿一个锯齿方向）的法向型（包括拉伸或压缩）；以及介于两者之间的混合型。
通过系统性地改变针尖滑动方向与已知或未知位移矢量之间的夹角θ，他们总结出三条运动规则： （1）针尖滑动方向平行于位移矢量（θ=0°）时，会沿扫描线生成一个带有弯曲前沿的条带状畴区域。 （2）针尖滑动方向垂直于位移矢量（θ=90°）时，会生成一个矩形畴区域，其前沿沿着位移矢量方向（即该前沿为剪切型畴壁段）。 （3）针尖滑动方向与位移矢量成其他角度（0°<θ<90°）时，会生成一个三角形畴区域，三角形的一边沿扫描方向，另一边沿位移矢量方向（剪切型段）。
这些规则不仅使他们能够根据运动产生的结构反向推断任意畴壁的位移矢量，更重要的是，使他们能够通过控制针尖滑动方向相对于位移矢量的角度，有目的地创建出具有特定原子结构（剪切型、法向型或混合型）的畴壁。例如，对一个已知为剪切型的畴壁沿垂直方向（锯齿方向）扫描，可以创建一个矩形结构（其长边为法向型畴壁）；随后再对新生成的法向型畴壁沿平行方向（扶手椅方向）扫描，则可以创建出一个条带结构。
4. 操控结果的稳定性验证与物理性质初探 研究发现，大部分通过AFM人工创建的畴壁结构在室温下可以稳定存在数月甚至更长时间。此外，研究者还利用扫描电压显微术初步探究了畴壁操控对局部电子输运性质的调控能力。他们在一个包含ABA和ABC畴的三层石墨烯场效应器件中观察到，操控畴壁可以显著改变畴壁周围的局域电势分布和电场分布，证实了该方法在调控器件局部性能方面的潜力。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究取得了一系列系统性的结果，各环节结果环环相扣，共同支撑了最终结论。
首先，在操控能力上，研究成功演示了对双层和三层石墨烯中单个层间堆垛畴壁的全套“微纳手术”操作。这包括将畴壁精确移动到新位置、将整个畴壁从样品中擦除、将一个畴壁在边缘处分裂为两个、将已有的闭合畴壁环湮灭，以及通过“切割”现有畴域的方式人工创建出包含孤立ABA或ABC堆叠域的闭合畴壁环。这些操作的成功，直接证明了利用局域机械力对原子级薄的层状材料中的拓扑缺陷进行精确工程化是可行的，解决了该领域长期存在的“单个位错精确操控”的挑战。
其次，在运动规律上，发现了畴壁运动的各向异性并总结了三条定量规则。这一发现是连接“操控行为”与“结构设计”的核心桥梁。初始的操控结果（移动、擦除等）只是证明了“可动性”，而各向异性规律的揭示则提供了“如何动”的蓝图。通过实验验证不同θ角下的运动结果（矩形、条带、三角形），不仅确认了规律的普适性，更重要的是，赋予了研究者“看图施工”的能力——可以根据目标畴壁的原子结构类型，反过来设计所需的针尖扫描路径。例如，图3中通过在不同方向上进行单线扫描，成功创建了剪切型、法向型和混合型的畴壁结构，这标志着从“随机操控”到“按需设计”的飞跃。
再者，在机理解释上，研究基于简单的应变分析为观察到的各向异性运动提供了定性解释。模型认为，AFM针尖的摩擦力引起顶层石墨烯原子的局部瞬态滑移，这些原子随后弛豫到能量最低的堆垛位点。在重构过程中，系统倾向于形成剪切型的畴壁段，因为其单位长度的弹性应变能低于法向型或混合型（约低55%）。这解释了为何在所有三种情况的重构结构中都会出现剪切分量，并且决定了最终结构的形状（例如，矩形结构的稳定是因为其前沿是能量最低的剪切型畴壁）。这一机理分析将宏观的操控现象与微观的原子弛豫和能量最低原理联系起来，增强了实验发现的理论深度。
最后，在应用验证上，扫描电压显微术的初步结果表明，畴壁的操控确实能够改变器件局部的电势分布。这一结果将结构操控与实际电子性质调控直接挂钩，预示着该方法不仅具有基础研究价值，在未来功能器件（如基于畴壁的一维电子通道、超低功耗开关等）的构建中也具有应用前景。而人工创建的畴壁结构在室温下的长期稳定性，则是其走向实际应用的先决条件，这一结果至关重要。
五、 研究的结论、意义与价值
本研究的核心结论是：利用原子力显微镜针尖施加的局域机械力，可以实现对双层和三层石墨烯中层间堆垛畴壁的精确、可控的操控，并能够基于对运动各向异性规律的理解，设计并创建出具有特定原子结构的稳定畴壁。
其科学价值在于： 1. 提供了一种革命性的操控工具：首次实现了对块体材料中单个拓扑缺陷（位错/畴壁）的原子级精确“雕刻”，将材料缺陷工程提升到了前所未有的精度水平。 2. 揭示了底层物理规律：系统揭示了层间堆垛畴壁在外力驱动下运动的各向异性，并建立了运动方向与最终原子结构之间的对应关系，深化了对这类拓扑缺陷力学行为的理解。 3. 创建了理想的研究平台：通过按需创建不同原子结构的畴壁（剪切型、法向型等），为实验上系统研究畴壁原子结构对其电子传输、光学、量子等物理性质的依赖关系提供了纯净、可控的样本，有望解决该领域因难以确定天然畴壁结构而导致的实验瓶颈。 4. 开辟了新的器件构建途径：展示了通过机械操控直接改变材料局部电子性质的潜力，为未来在原子尺度上“自下而上”地构建基于一维拓扑缺陷的新型电子学、光电子学器件（如可重配的纳米电路、 valleytronics器件等）提供了全新的技术路线。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的补充
本研究的成功还依赖于多学科技术的融合：近场红外纳米显微技术用于无损、高衬度的原位成像，是定位和表征畴壁的前提；扫描电压显微技术则用于探测操控后的电学性质变化。此外，研究者对AFM工作模式的精细改造（接触-抬升模式）和对针尖的预处理（钝化），体现了在实验技术细节上的深厚功底。这项工作为操控其他二维层状材料（如过渡金属硫族化物）中的类似堆垛畴壁、位错等拓扑结构提供了通用的方法论借鉴，有望在更广泛的二维材料领域引发新的研究热潮。