“之”字形邊緣：石墨烯納米帶的制備新技術

全浩

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。而石墨烯的特性，決定了其可能取代硅而成為新型半導體材料。近日，EMPA（瑞士聯邦材料科學與技術實驗室）的科學家研究出了一項新技術，他們首次成功地制造出具有完美“之”字形邊緣（zigzag edges）的石墨烯納米帶（graphene nanoribbons），它只有幾納米寬，并且具有精確形狀的邊緣。這些“之”字形邊緣的電子展示出不同的、并且是耦合的旋轉方向。這種技術，使石墨烯納米帶可以成為未來電子元器件應用的新材料。

?在制造具有完美“之”字形邊緣的石墨烯納米帶時，先導分子應用到制程中，使電子在“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

如何成功地用合適的碳先導分子和一種完美的制程，來合成這種石墨烯納米帶呢？為了合成納米帶，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。因此，科學家們不斷地通過計算機模擬和實驗的方式反復嘗試，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。

“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”。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。兩個獨立的但方向相反的旋轉通道，就在納米帶邊緣形成，好像一個大路上具有分開的車道一般。繼而，還可以設計使它根據能量來打開或者關閉。這就得到了一個納米級的、非常節能的晶體管雛形。

?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）

這樣的一種可能性，使得這種石墨烯納米帶對于自旋電子設備來說非常有用。這種結合，促使科學家們預測一種全新的元器件，例如可尋址的磁性數據存儲設備，它可以在關閉電源之后，仍然保存之前輸入的數據信息。