之字形边缘:《自然》杂志发布了"石墨烯纳米带"的新技术

最新的一期《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,他们首次成功地制造出具有完美“之字形边缘”(zigzag edges )的石墨烯纳米带(graphene nanoribbons)。

 

电子元器件正在变得越来越小,所以用硅做半导体材料这种传统的方式逐渐接近了极限瓶颈。石墨烯,这种材料具有许多不可思议的特性:一个原子厚度的碳薄膜、超轻、富有弹性和高导电性,是最有可能取代硅而成为新型半导体材料的。然而,为了能使用石墨烯来做电子元器件,例如场效应晶体管,这种材料必须要被“改造”成为一个半导体。EMPA的科学家使用他们新开发的方法,不久前实现了这个目标,他们首次公布了一种新的石墨烯纳米带(GNR),它只有几个纳米宽,并且具有精确形状的边缘。在这些之字形边缘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。

 

图1. 具有“之字形边缘”的石墨烯纳米带图片,先导分子应用到制程中,电子在之字形边缘两侧呈现不同的自旋方向,在底部边缘(橙色)为向上旋转,在上部边缘(蓝色)为向下旋转。

 

这种纳米带需要在特别地设计了先导分子的某种金属表面上生成。纳米带越狭窄,它们的电子带隙(也就是能量范围)越大,这样可以实现电子开关(如晶体管)的打开和关闭。EMPA的研究者还可以给这种纳米带用“兴奋剂”,即用非纯净的原子(如氮)在某些位置来刺激这种纳米带,以便更多地影响这种纳米带的电子状态。

 

完美的蓝图

 

在《自然》杂志发表的论文中,EMPA该项目的负责人Roman Fasel 和同事们汇报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。“之字形边缘”沿着纳米带的长轴形成一个非常特别的几何结构。这是非常重要的一步,因为这样研究者就可以通过带子的几何结构、以及通过边缘的结构,给石墨烯纳米带赋予不同的性能。

 

图2. 石墨烯纳米带的图案模板:根据带子轴线的方向,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)。

 

如同在拼贴地板砖时候需要用到合适的瓷砖,为了在表面合成纳米带首先需要找到合适的先导分子,以适应之字形石墨烯纳米带的特殊图案模式。不同于有机化学(可以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为这个成长表面设计一切条件以至于只是形成一个单一的物质。因此,科学家们不断地通过计算机模拟和实验的方式反复尝试,目的是设计出最好的合成。通过一种U形的分子,它们可以共同生长形成一个蛇形和附加的甲基组,从而完成了这个之字形边缘。研究者终于得到了一个创造这种完美的之字形边缘石墨烯纳米带的“蓝图”。

 

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。

 

运用电子的内在自旋

 

这个新技术展示了一个非常有前途的特征,电子可以或者向左或者向右旋转——称为电子内在自旋。之字形边缘石墨烯纳米带的特别之处是,沿着每个边缘,电子全部可以朝着同一个方向旋转,这种现象被称为“铁磁体耦合”(ferro-magnetic coupling)。同时,“逆铁磁体耦合”使得在另外一边的全部电子朝着相反的方向旋转。这样在一边的电子具有“向上旋转”的状态,在另一边的电子具有“向下旋转”的状态。

 

这样,两个独立的但方向相反的旋转通道在纳米带边缘形成了,好像一个大路上具有分开的车道。通过有意地整合边缘上的结构缺陷,或者优雅地通过从外部来供应电子的、磁性的或者光信号,旋转屏障和滤波器因此可以设计成根据能量来打开或者关闭。这就得到了一个纳米级的、并且非常节能的晶体管雏形。

 

这样的一种可能性使得这种石墨烯纳米带对于自旋电子设备非常有用,这些设备运用电子的电荷和自旋。这种结合促使科学家们预见到了一种全新的元器件,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。

 

参考来源:EMPA(Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology )

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

 


 专栏作家:全浩 

“北京科技大学工学学士、武汉大学管理学院投资经济系硕士。硅谷密探专栏作家,人工智能学家网专栏作家,机器之心专栏作家。创新和艺术爱好者。曾就职于汉王科技,以色列M-SYSTEMS,硅谷动力,神州数码等科技及媒体公司。”

 

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