AS|郑泉水院士团队：石墨c轴电阻率的起源——解耦堆垛层错与转角错位
AS | 郑泉水院士团队：石墨c轴电阻率的起源——解耦堆垛层错与转角错位
研究背景：
范德华（vdW）层状材料（如石墨）凭借其独特的弱层间相互作用及丰富的电子特性，在物理、材料科学和器件工程等领域引起了广泛关注[1-4]。这种层间弱vdW相互作用赋予了界面可重构性，从而衍生出一系列新奇物理现象，例如非公度vdW界面处的自超滑（SSL）现象[5-7]、魔角石墨烯超晶格中的反常超导[8]、具有角度依赖性的界面电/热输运[9-13]，以及扭转构型中增强的断裂韧性[14]。
但是另一方面，这也导致这类材料容易存在界面位错，主要分为堆垛层错（Stacking Fault，SF）和转角错位（Rotaional Misorientation，RM）。这些界面位错会重塑能带结构和层间耦合作用，从而极大地影响层间的电荷输运特性。特别是某些特定的堆垛构型（如菱方石墨）与超导及量子反常霍尔效应等奇异态密切相关。因此，理解这些界面位错的作用很重要！
然而，尽管石墨是结构最简单且最被广泛使用的vdW层状材料，经过近一个世纪的研究，学界对其c轴电输运特性仍缺乏系统且全面的理解。这主要受限于两大长期存在的挑战： 1）缺乏一致的本征c轴电阻率基准：本征c轴电阻率是理论建模和材料设计的关键参数，但该数据的测量一直以来都存在较大的分歧[15-22]。即便是传统上被视为高质量单晶的天然石墨，其内部也可能潜含孔洞、位错、SF、RM及牛顿环状缺陷等[23-25]，导致测量数据的分散性。此外，理论上，针对理想AB堆垛石墨的c轴电阻率也因能带参数选取不同算出不同的结果[26,27]，凸显了确立可靠标准的必要性。 2）缺乏对SF与RM效应的解耦：早期关于石墨c轴电输运的研究通常将SF视为均匀分布的插层[28-30]，很大程度上忽略了RM的影响。直到近期，RM的影响才逐渐受到重视，研究重心转向单个旋转位错界面的角度依赖性研究[9,10,31-34]。这其实可能意味着，以往的SF测量很可能混杂了RM的贡献，因此亟需一种修正的、系统性的方法来解耦这两者的独立作用。
文章概述：
近日，郑泉水 院士 团队在 Advanced Science 上报道了石墨的本征c轴电阻率，并得出了RM、SF与AB三类界面的c轴电阻率比值。论文的第一作者为清华大学航院博士生 陈伟鹏 ，通讯作者为深圳大学机电与控制工程学院吴章辉副教授和清华大学深圳国际研究生院彭德利助理教授，其他作者还包括清华大学航院博士生 杨馥玮、吴铁林、王叶凌怡 。该工作基于外延生长技术得到的高品质单晶石墨，利用高通量微纳加工与原位测量技术，测定得到石墨的本征c轴电阻率。值得一提的是，研究团队开发了一种基于“旋转锁定”的解耦策略，通过将高定向热解石墨（HOPG）中的旋转界面转化为公度界面，成功实现了对RM（转角错位）与SF（堆垛层错）电学贡献的定量分离。研究发现，定量得到了RM、SF与AB堆垛界面的等效电阻率之比约为 4507:74:1，揭示了转角错位是导致石墨c轴高电阻率的主要原因。最后，该工作还提出了一种基于像素阵列的横向大尺寸测量技术，为从空间视角揭示vdW材料内部位错结构提供了可能的表征方法。
图文导读：
图1. 石墨c轴电输运特性研究的样品制备与测量系统。(a-b) 单晶石墨（ESCG）与高定向热解石墨（HOPG）的截面STEM图像对比，显示ESCG具有高度均一的AB堆垛结构，而HOPG内部存在转角错位。(c) 带铂岛盖的石墨微柱阵列。(d) 基于双微探针的四线法电阻测量示意图，该方法有效消除了接触电阻的影响。(e-f) ESCG与HOPG的伏安特性曲线及变温电阻特性对比
图2.石墨本征c轴电阻率的测定。(a-b) ESCG与HOPG微柱的电阻随高度变化的统计数据。通过高通量测量，精确提取了ESCG的本征c轴电阻率，数值比HOPG低约两个数量级。(c) ESCG电导率的尺寸依赖性分析，揭示了微尺度下边缘态对输运的有限影响。(d) 本工作测得的数值与过往实验及理论值的对比
图3.基于“旋转锁定”的解耦策略。(a) 堆垛层错（SF）与转角错位（RM）界面的原子结构示意图。(b) “旋转锁定”过程示意图：利用RM界面的超滑特性（极低剪切强度），通过机械拨动使非公度的RM界面旋转至公度状态（锁定），从而在原位测量中消除RM对电阻的贡献，仅保留SF与基体电阻，进而实现两者的解耦。(c) 完全锁定状态构型（直径8 μm）的力学验证。与初始状态相比，锁定状态下的剪切力显著增加。(d) 不同样品尺寸下初始状态（黑色方框）与最终锁定状态（蓝色三角形）石墨电阻的对比分析。插图：旋转过程中的光学显微镜照片。(e) 初始状态和锁定状态下单位面积电导与尺寸倒数的关系。对于锁定样品，数据采用ESCG样品拟合的斜率数值进行线性拟合。对于初始样品，关系采用简单线性回归分析；斜率在统计上不显著（P值 = 0.556），表明输运主要由面积主导。(f) HOPG、锁定后HOPG与ESCG的c轴电导率的系统比较。(g) RM与SF的等效电阻率贡献，以及本征AB堆垛石墨电阻率
图4.像素化电阻分布成像技术。(a) HOPG表面的电阻分布图，“THU”字样所在区域经过了人工“旋转锁定”处理，呈现出显著降低的电阻值，揭示了对石墨内部结构进行操纵的潜力。(b) ESCG展现出极高的电学均一性
本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金、深圳市科创委、深圳市超滑技术重点实验室及中国博士后科学基金等项目的资助。
论文信息：
Origins of Graphite Resistivity: Decoupling Stacking Fault and Rotational Misorientation
Weipeng Chen, Fuwei Yang, Tielin Wu, Yelingyi Wang, Quanshui Zheng, Deli Peng*, Zhanghui Wu*
Advanced Science
DOI:10.1002/advs.20251825
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202518254
参看文献：
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期刊介绍：
Advanced Science 是 Wiley旗舰期刊 Advanced 系列中的一种完全开放获取的跨学科科学期刊，发表材料科学、物理、化学、医学、生命科学、环境科学、工程和社会科学等领域的前沿基础和应用研究。我们的使命是通过开放获取出版，使前沿创新的科学研究具有更广泛的可访问性。Wiley 的 Advanced 系列是全球公认的高影响力期刊系列，传播来自资深和青年研究人员的科学成果，帮助他们实现使命并扩大科学发现的影响力。
Advanced Science 2025年影响因子为14.1，五年平均影响因子为15.6，期刊引文指标1.74，CiteScore 为 18.1。在 2025年中国科学院院文献情报中心期刊分区表中， Advanced Science 入选综合类期刊一区TOP。
