2022年4月，中国农业大学理学院罗炳程教授团队在新型信息功能材料设计的理论研究方面取得新进展，在国际碳材料顶级期刊《Carbon》上发表题为“Novel Atomic-scale Graphene Metamaterials with Broadband Electromagnetic Wave Absorption and Ultra-high Elastic Modulus”的研究论文。在全球“碳中和”大背景和国家“双碳”目标战略需求下，新型信息功能材料的研发是解决我国新能源产业快速发展所面临“卡脖子”问题的关键。新型信息功能材料，包括传感器材料、信息存储材料、微电子材料、光伏材料、储能材料、生物医学材料等等，是智慧农业、绿色能源、先进制造、生命科学、光电技术、能源存储等高新技术和国防建设领域的关键基础。然而，实验“试错法”在研制新型信息功能材料过程中存在周期长、成本高、效率低等问题，这就限制了新材料的高效快速开发。理论预测设计新型信息功能材料则为解决“试错法”的问题提供了切实可行的方案。该成果报道的新型原子尺度石墨烯超材料具有较宽波段的电磁吸收和超高的弹性模量，在半导体电子设备和光电器件领域具有潜在应用价值。
随着科技的快速发展，通过对微结构的优化设计与调制，各种先进结构和新型材料（如二维材料、量子材料和超构材料等）相继被开发。其中，石墨烯由于较高的比表面积、高电子迁移率、高热导率和的面内杨氏模量受到了大量的研究和应用。然而，石墨烯中较弱的可见光-红外区域的电磁吸收、缺乏带隙和较低的面外杨氏模量是困扰其在光电和半导体领域应用的三个长期挑战。
该成果针对石墨烯材料研究中存在的问题，提出了原子尺度垂直交叉组装石墨烯纳米片层的方法，设计了一种新型石墨烯超材料（VC-Graphene）（图1）。在材料稳定性方面，表现出显著的化学、热学、动力学和机械稳定性。在能带结构方面，表现出107meV的禁带宽度，并可以利用压力工程调控到0~260meV范围。
图1：新型石墨烯超材料的设计示意图与增强的机械和光学性质
在机械性能方面，VC-Graphene在面内方向的杨氏模量保持了石墨烯面内杨氏模量数值，而面外的杨氏模量显著超过了氧化铝和氮化硅等技术陶瓷。在光学性能方面，VC-Graphene在可见光和红外光范围内的电磁吸收性能得到了显著增强，其数值是单层石墨烯的50~1000倍，这使得所设计的材料在光电器件和半导体应用领域具有巨大潜力。
中国农业大学为该论文第一完成单位，参与人员和单位包括：四川大学吴隆文副研究员、芬兰阿尔托大学李雕研究员、中科院苏州纳米所余学超研究员、中国地质大学（北京）和北京应用物理与计算数学研究所等。