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石墨烯变形记:《Nature》报道首次合成锯齿形边缘石墨烯纳米带

新一期《自然》杂志发布了EMPA(瑞士联邦材料科学与技术实验室)研究者的一项新技术,他们首次成功制造出具有完美“之字形边缘”的石墨烯纳米带。电子元器件正在变得越来越小,用硅做半导体材料的传统方式也逐渐接近了极限瓶颈。而石墨烯由于具有许多不可思议的特性,成为最有可能取代硅而成为新型半导体材料的“选手”。

然而,石墨烯要想被用于制造电子元器件——如场效应晶体管——就必须被“改造”成为一个半导体。为实现这一目标,科学家们进行了持续的探索。早在2010年, EMPA的Roman Fasel与德国马普高分子研究所的Klaus Müllen、冯新亮等研究人员就发现,通过设计石墨烯的纳米结构,使之变形为石墨烯纳米带后,它就具有了类似半导体材料的性质。近日,他们使用新开发的方法首次合成了具有完美之字形边缘的石墨烯纳米带(ZGNR)。这种石墨烯纳米带只有几个纳米宽,并且具有精确形状的边缘。在边缘上的电子展示出不同的、并且是耦合的旋转方向。这种技术将来可以使得“石墨烯纳米带”成为未来应用的电子元器件的新材料。

EMPA的研究人员介绍了怎样成功地用合适的碳先导分子和一种完美的制程来合成这种石墨烯纳米带。其中,让“之字形边缘”沿着纳米带长轴形成特殊的几何结构这一步非常重要,因为这样研究者就可以通过调整其几何结构及边缘结构,给石墨烯纳米带赋予不同的性能。

? ? ? ? 石墨烯纳米带的图案模板:据带子轴线的方向,石墨烯纳米带具有一个“扶手椅”边缘(橙色)和一个“之字形”边缘(蓝色)。这种纳米带需要在特意设计过先导分子的某种金属表面生成。因此要合成它,就需要先找到合适的先导分子。不同于有机化学(允许在形成一个纯物质的过程中产生副产品),石墨烯纳米带的合成必须保证只形成一种单一的物质。为此科学家们通过计算机模拟和实验反复尝试,终于得到了一个创造完美“之字形边缘”石墨烯纳米带的“蓝图”:即通过一种U形的分子,共同生长形成一个蛇形和附加的甲基组,从而完成“之字形边缘”。
  为了检查这个之字形边缘是否精确到原子,研究者们用原子力学显微镜考察了原子结构。此外,他们还可以运用“扫描隧道光谱学”(STS)的方法来刻画“之字形边缘”的电子状态。
这项新技术展现了一个非常有前途的特征——电子内在自旋。沿着之字形边缘石墨烯纳米带的每个边缘,电子全部朝着同一个方向旋转(“铁磁体耦合”现象),而同时另一侧的全部电子朝着相反方向旋转(“逆铁磁体耦合”现象)。这样在纳米带边缘就形成了两个独立的但方向相反的旋转通道。
? ? ? ? ?在此基础上,通过整合边缘上的结构缺陷,或通过从外部供应电、磁或光信号,把旋转屏障和滤波器设计成根据能量打开或关闭,就能得到一个纳米级的、非常节能的晶体管雏形,同理,它也能用于制造其他自旋电子设备。这种结合促使科学家们预见到一种全新的元器件,例如可寻址的磁性数据存储设备,它可以在关闭电源之后仍然保存之前输入的数据信息。
一旦这项有关“之字形边缘”石墨烯纳米带的技术能获得实际运用,现在以硅为基础的电子器件体积和能耗都或将大幅缩小,从而给我们的生活带来重大改变。
来源:江南石墨烯研究院、万花镜、X-Mol(文章来源于网络,不并代表本网站观点,仅供大家阅读)

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