新一期《自然》雜志發(fā)布了EMPA（瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）研究者的一項(xiàng)新技術(shù)，他們首次成功制造出具有完美“之字形邊緣”的石墨烯納米帶。電子元器件正在變得越來(lái)越小，用硅做半導(dǎo)體材料的傳統(tǒng)方式也逐漸接近了極限瓶頸。而石墨烯由于具有許多不可思議的特性，成為最有可能取代硅而成為新型半導(dǎo)體材料的“選手”。
然而，石墨烯要想被用于制造電子元器件——如場(chǎng)效應(yīng)晶體管——就必須被“改造”成為一個(gè)半導(dǎo)體。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家們進(jìn)行了持續(xù)的探索。早在2010年， EMPA的Roman Fasel與德國(guó)馬普高分子研究所的Klaus Müllen、馮新亮等研究人員就發(fā)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)石墨烯的納米結(jié)構(gòu)，使之變形為石墨烯納米帶后，它就具有了類似半導(dǎo)體材料的性質(zhì)。近日，他們使用新開發(fā)的方法首次合成了具有完美之字形邊緣的石墨烯納米帶（ZGNR）。這種石墨烯納米帶只有幾個(gè)納米寬，并且具有精確形狀的邊緣。在邊緣上的電子展示出不同的、并且是耦合的旋轉(zhuǎn)方向。這種技術(shù)將來(lái)可以使得“石墨烯納米帶”成為未來(lái)應(yīng)用的電子元器件的新材料。
EMPA的研究人員介紹了怎樣成功地用合適的碳先導(dǎo)分子和一種完美的制程來(lái)合成這種石墨烯納米帶。其中，讓“之字形邊緣”沿著納米帶長(zhǎng)軸形成特殊的幾何結(jié)構(gòu)這一步非常重要，因?yàn)檫@樣研究者就可以通過(guò)調(diào)整其幾何結(jié)構(gòu)及邊緣結(jié)構(gòu)，給石墨烯納米帶賦予不同的性能。
? ? ? ? 石墨烯納米帶的圖案模板：據(jù)帶子軸線的方向，石墨烯納米帶具有一個(gè)“扶手椅”邊緣（橙色）和一個(gè)“之字形”邊緣（藍(lán)色）。這種納米帶需要在特意設(shè)計(jì)過(guò)先導(dǎo)分子的某種金屬表面生成。因此要合成它，就需要先找到合適的先導(dǎo)分子。不同于有機(jī)化學(xué)（允許在形成一個(gè)純物質(zhì)的過(guò)程中產(chǎn)生副產(chǎn)品），石墨烯納米帶的合成必須保證只形成一種單一的物質(zhì)。為此科學(xué)家們通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)反復(fù)嘗試，終于得到了一個(gè)創(chuàng)造完美“之字形邊緣”石墨烯納米帶的“藍(lán)圖”：即通過(guò)一種U形的分子，共同生長(zhǎng)形成一個(gè)蛇形和附加的甲基組，從而完成“之字形邊緣”。
為了檢查這個(gè)之字形邊緣是否精確到原子，研究者們用原子力學(xué)顯微鏡考察了原子結(jié)構(gòu)。此外，他們還可以運(yùn)用“掃描隧道光譜學(xué)”（STS）的方法來(lái)刻畫“之字形邊緣”的電子狀態(tài)。
這項(xiàng)新技術(shù)展現(xiàn)了一個(gè)非常有前途的特征——電子內(nèi)在自旋。沿著之字形邊緣石墨烯納米帶的每個(gè)邊緣，電子全部朝著同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)（“鐵磁體耦合”現(xiàn)象），而同時(shí)另一側(cè)的全部電子朝著相反方向旋轉(zhuǎn)（“逆鐵磁體耦合”現(xiàn)象）。這樣在納米帶邊緣就形成了兩個(gè)獨(dú)立的但方向相反的旋轉(zhuǎn)通道。
? ? ? ? ?在此基礎(chǔ)上，通過(guò)整合邊緣上的結(jié)構(gòu)缺陷，或通過(guò)從外部供應(yīng)電、磁或光信號(hào)，把旋轉(zhuǎn)屏障和濾波器設(shè)計(jì)成根據(jù)能量打開或關(guān)閉，就能得到一個(gè)納米級(jí)的、非常節(jié)能的晶體管雛形，同理，它也能用于制造其他自旋電子設(shè)備。這種結(jié)合促使科學(xué)家們預(yù)見到一種全新的元器件，例如可尋址的磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，它可以在關(guān)閉電源之后仍然保存之前輸入的數(shù)據(jù)信息。
一旦這項(xiàng)有關(guān)“之字形邊緣”石墨烯納米帶的技術(shù)能獲得實(shí)際運(yùn)用，現(xiàn)在以硅為基礎(chǔ)的電子器件體積和能耗都或?qū)⒋蠓s小，從而給我們的生活帶來(lái)重大改變。
來(lái)源：江南石墨烯研究院、萬(wàn)花鏡、X-Mol（文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，不并代表本網(wǎng)站觀點(diǎn)，僅供大家閱讀）
