石墨烯，單層碳原子排成的蜂窩薄膜，薄到極致。但把它一層層摞起來時，層與層之間如何錯位——用專業術語叫作堆垛方式——會徹底改寫材料的“脾氣”。其中一種叫菱方堆垛的排列方式，因其獨特的電子結構有望催生超導、拓扑量子態等奇異物性，因此它也是熱力學上的“不安定因素”，極難穩定制備。北京大學物理學院劉開輝教授、盧曉波研究員、張志斌特聘副研究員聯合多家合作單位，日前發展出一種“台階幾何引導外延”策略，首次實現了大面積、高純度菱方堆垛石墨烯的可控制備。

劉開輝介紹，自1924年科學家首次解析出石墨中最常見的AB堆垛，即相鄰層錯開一定距離的常規排列，過去百年間，人們對石墨和石墨烯性質的研究幾乎都建立在這一常規結構之上。然而，菱方堆垛是三層一個循環，層層滑移，只是換了個“坐姿”，卻能憑空產生平帶電子結構和拓扑特性，成為探索強電子關聯和量子效應的絕佳平台。

“問題在於，菱方堆垛在熱力學上屬於亞穩態。”劉開輝指出，它就像一顆立在坡頂的球，稍有擾動就滾回能量更低的AB堆垛。“長期以來，實驗室裡想獲得菱方石墨烯，只能靠‘撕膠帶’，機械剝離出一大堆石墨烯碎片，在顯微鏡下大海撈針，偶然找到那麼一兩片菱方堆垛的‘幸運兒’。大面積、高純度、可重復的制備，始終遙不可及。”

研究團隊由此引發思考：既然攔不住它“滑回去”，能不能讓它從一開始就“長對地方”？團隊設計了一套“台階”方案：在基底上預先做出納米尺度的台階，讓石墨烯像壘積木一樣，沿著台階一層一層往上摞。台階的高低和朝向，恰好卡死了層與層之間的滑移方向。他們還算出了最佳參數：台階夠陡、朝向夠正，石墨烯就能老老實實摞成菱方排列。照著這個配方，他們做出了一份“生長指南”。

“團隊造出來的樣品純度超過99%，最大尺寸160微米乘以80微米，薄則十幾層、厚則幾百層，皆可按需調節。”劉開輝說，此次成果更重要的啟發在於，這種堆垛序列工程的思路不限於石墨烯，未來還有望推動平帶量子材料、強關聯電子體系以及新一代拓扑量子器件的發展。（記者晉浩天）