【摘要】 本文通过STM和DFT技术，揭示石墨烯层形貌与金属界面合金化的关联机制，探讨插入金属层对界面结构的调控作用。深度解析Mn-Ru/Ir体系实验发现，提供界面工程设计新思路。

一、石墨烯-金属界面研究的演进与突破

自2004年石墨烯的突破性发现后，其独特的电子传输特性引发了新一轮研究热潮。通过多晶金属箔合成大面积单/双层石墨烯的技术突破，为二维材料应用开辟了新方向。近年研究发现，在4d/5d贵金属表面构建石墨烯莫尔超结构，可精准制备有序纳米簇阵列，为单原子催化研究提供理想平台。

关键发现：石墨烯覆盖层在金属界面展现出双重特性——既可作为抗氧化保护层，又能通过量子限域效应提升催化活性（如石墨烯/Pt(111)界面显著促进CO氧化反应）。

图 1. Mn 插层石墨烯-金属界面 gr/Mn-Ru(0001) 和 gr/Mn-Ir(111) 的理论结果。 (a) DFT 优化的最有利于能量的 gr/Mn-Ru(0001) 界面的侧视图， (b) DFT 优化的最有利于能量的 gr/Mn-Ir(111) 界面之一的侧视图。 (c) 理论计算的 gr/Ru(0001) 和 gr/Mn/Ru(0001) 的 STM 图像。 (d) 理论计算的 gr/Ir(111) 和 gr/Ir/IrMn/Ir(111) 的 STM 图像[1]

 

二、界面插入层的结构调控实验

2.1 Mn插层体系的对比研究

通过STM与DFT联合分析发现：

  • ​Ru(0001)体系：石墨烯层呈现强烈弯曲特征，其下方形成Mn伪晶层（晶格匹配度＞98%）
  • ​Ir(111)体系：平坦石墨烯层下方1nm处形成MnIr埋藏合金层

相图关联性：这种结构差异与Mn-Ru/Mn-Ir体系的二元相图特征高度吻合，证实界面热力学主导合金形成路径。

 

三、石墨烯界面工程的技术挑战

3.1 金属插层机制争议

当前研究面临两大核心问题：

1.物质渗透路径未明（晶界扩散/缺陷渗透等假说缺乏理论验证）

2.界面合金化判定难题（传统表征手段分辨率限制）

技术突破方向：

  • 开发亚埃级原位表征技术
  • 建立多尺度计算模型（从DFT到分子动力学模拟）

 

四、人工界面的功能化应用前景

通过精准调控石墨烯-金属界面，已实现：

✅ 高稳定人工相构筑

✅ 自旋电子器件界面优化

✅ 限域空间催化活性调控

典型案例：石墨烯/Cu插层体系成功稳定亚稳态γ-Cu相，其催化活性比常规相提升3个数量级。

 

五、未来研究方向与挑战

1.建立石墨烯形貌-界面结构的定量对应关系

2.开发高通量界面筛选数据库

3.探索非金属插层体系（如气体分子、高分子）的界面效应

 

参考文献：[1]Voloshina E, Paulus B, Dedkov Y. Graphene layer morphology as an indicator of the metal alloy formation at the interface[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2020, 12(1): 19-25.

 

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