“之”字形边缘：石墨烯纳米带的制备新技术

全浩

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。而石墨烯的特性，决定了其可能取代硅而成为新型半导体材料。近日，EMPA（瑞士联邦材料科学与技术实验室）的科学家研究出了一项新技术，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），它只有几纳米宽，并且具有精确形状的边缘。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，使石墨烯纳米带可以成为未来电子元器件应用的新材料。

 在制造具有完美“之”字形边缘的石墨烯纳米带时，先导分子应用到制程中，使电子在“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

如何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呢？为了合成纳米带，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。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，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。

“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”。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。两个独立的但方向相反的旋转通道，就在纳米带边缘形成，好像一个大路上具有分开的车道一般。继而，还可以设计使它根据能量来打开或者关闭。这就得到了一个纳米级的、非常节能的晶体管雏形。

 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）

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来说非常有用。这种结合，促使科学家们预测一种全新的元器件，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。