之字形邊緣:《自然》雜誌發布了」石墨烯納米帶」的新技術

最新的一期《自然》雜誌發布了EMPA（瑞士聯邦材料科學與技術實驗室）研究者的一項新技術，他們首次成功地製造出具有完美「之字形邊緣」（zigzag edges ）的石墨烯納米帶（graphene nanoribbons）。

電子元器件正在變得越來越小，所以用硅做半導體材料這種傳統的方式逐漸接近了極限瓶頸。石墨烯，這種材料具有許多不可思議的特性：一個原子厚度的碳薄膜、超輕、富有彈性和高導電性，是最有可能取代硅而成為新型半導體材料的。然而，為了能使用石墨烯來做電子元器件，例如場效應晶體管，這種材料必須要被「改造」成為一個半導體。EMPA的科學家使用他們新開發的方法，不久前實現了這個目標，他們首次公布了一種新的石墨烯納米帶（GNR），它只有幾個納米寬，並且具有精確形狀的邊緣。在這些之字形邊緣的電子展示出不同的、並且是耦合的旋轉方向。這種技術將來可以使得「石墨烯納米帶」成為未來應用的電子元器件的新材料。

*圖1：具有「之字形邊緣」的石墨烯納米帶圖片，先導分子應用到製程中，電子在之字形邊緣兩側呈現不同的自旋方向，在底部邊緣（橙色）為向上旋轉，在上部邊緣（藍色）為向下旋轉。

這種納米帶需要在特別地設計了先導分子的某種金屬表面上生成。納米帶越狹窄，它們的電子帶隙（也就是能量範圍）越大，這樣可以實現電子開關（如晶體管）的打開和關閉。EMPA的研究者還可以給這種納米帶用「興奮劑」，即用非純凈的原子（如氮）在某些位置來刺激這種納米帶，以便更多地影響這種納米帶的電子狀態。

完美的藍圖

在《自然》雜誌發表的論文中，EMPA該項目的負責人Roman Fasel 和同事們彙報了怎樣成功地用合適的碳先導分子和一種完美的製程來合成這種石墨烯納米帶。「之字形邊緣」沿著納米帶的長軸形成一個非常特別的幾何結構。這是非常重要的一步，因為這樣研究者就可以通過帶子的幾何結構、以及通過邊緣的結構，給石墨烯納米帶賦予不同的性能。

*圖2：石墨烯納米帶的圖案模板：根據帶子軸線的方向，石墨烯納米帶具有一個「扶手椅」邊緣（橙色）和一個「之字形」邊緣（藍色）。

如同在拼貼地板磚時候需要用到合適的瓷磚，為了在表面合成納米帶首先需要找到合適的先導分子，以適應之字形石墨烯納米帶的特殊圖案模式。不同於有機化學（可以在形成一個純物質的過程中產生副產品），石墨烯納米帶的合成必須為這個成長表面設計一切條件以至於只是形成一個單一的物質。因此，科學家們不斷地通過計算機模擬和實驗的方式反覆嘗試，目的是設計出最好的合成。通過一種U形的分子，它們可以共同生長形成一個蛇形和附加的甲基組，從而完成了這個之字形邊緣。研究者終於得到了一個創造這種完美的之字形邊緣石墨烯納米帶的「藍圖」。

為了檢查這個之字形邊緣是否精確到原子，研究者們用原子力學顯微鏡考察了原子結構。此外，他們還可以運用「掃描隧道光譜學」（STS）的方法來刻畫「之字形邊緣」的電子狀態。

運用電子的內在自旋

這個新技術展示了一個非常有前途的特徵，電子可以或者向左或者向右旋轉——稱為電子內在自旋。之字形邊緣石墨烯納米帶的特別之處是，沿著每個邊緣，電子全部可以朝著同一個方向旋轉，這種現象被稱為「鐵磁體耦合」（ferro-magnetic coupling）。同時，「逆鐵磁體耦合」使得在另外一邊的全部電子朝著相反的方向旋轉。這樣在一邊的電子具有「向上旋轉」的狀態，在另一邊的電子具有「向下旋轉」的狀態。

這樣，兩個獨立的但方向相反的旋轉通道在納米帶邊緣形成了，好像一個大路上具有分開的車道。通過有意地整合邊緣上的結構缺陷，或者優雅地通過從外部來供應電子的、磁性的或者光信號，旋轉屏障和濾波器因此可以設計成根據能量來打開或者關閉。這就得到了一個納米級的、並且非常節能的晶體管雛形。

這樣的一種可能性使得這種石墨烯納米帶對於自旋電子設備非常有用，這些設備運用電子的電荷和自旋。這種結合促使科學家們預見到了一種全新的元器件，例如可定址的磁性數據存儲設備，它可以在關閉電源之後仍然保存之前輸入的數據信息。

來源：EMPA(Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology )

更多信息可查閱: Pascal Ruffieux et al. On-surface synthesis of graphene nanoribbons with zigzag edge topology, Nature (2016). DOI: 10.1038/nature17151

請您繼續閱讀更多來自 人工智慧學家 的精彩文章:

※邊緣恐怖漫畫：紅綠燈
※站在《莫里斯·桑達克的藝術世界》邊緣
※世界邊緣的六大「神秘」古迹
※《剃刀邊緣》捲毛夫婦合體發糖 看文章如何花式撩馬伊琍
※塔爾沙漠邊緣的粉紅玫瑰——齋普爾
※《剃刀邊緣》捲毛夫婦上線 文章馬伊琍髮型賞析
※紅樓的邊緣有她的自畫像
※從邊緣到主流的彈幕文化
※《剃刀邊緣》編劇余飛：馬伊琍演的比文章還要好
※章導演的電視劇《剃刀邊緣》熱映，能否洗白他出軌的烙印？
※鑲在現實和武俠邊緣的峨眉山
※《剃刀邊緣》收視和口碑爆棚，導演文章剩下的除了才華還是才華
※太陽系邊緣的神秘粒子帶，陰謀論者口中的外星產物，孤立地球文明
※剃刀邊緣之中國版史密斯夫婦的養成史
※論自然保護，走在綠色與灰色邊緣
※將喝完的易拉罐邊緣剪開，摺疊成為環保的水果托盤
※花煙草別名美花煙草，栽植於花壇、草坪、庭院、路邊及林帶邊緣，也可作盆栽
※通天塔炸裂 卡西金手套發威 邊緣國腳爆發
※在沙漠的邊緣，美麗的藍刺頭和沙拐棗盛開了