“之”字形邊緣：石墨烯納米帶的制備新技術(shù)

全浩

電子元器件正在變得越來(lái)越小，所以用硅做半導(dǎo)體材料這種傳統(tǒng)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(dǎo)體材料。近日，EMPA（瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）的科學(xué)家研究出了一項(xiàng)新技術(shù)，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(zhuǎn)方向。這種技術(shù)，使石墨烯納米帶可以成為未來(lái)電子元器件應(yīng)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(shí)，先導(dǎo)分子應(yīng)用到制程中，使電子在“之”字形邊緣兩側(cè)呈現(xiàn)不同的自旋方向，在底部邊緣（橙色）為向上旋轉(zhuǎn)，在上部邊緣（藍(lán)色）為向下旋轉(zhuǎn)

如何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呢？為了合成納米帶，首先需要找到合適的先導(dǎo)分子，以適應(yīng)之字形石墨烯納米帶的特殊圖案模式。因此，科學(xué)家們不斷地通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)的方式反復(fù)嘗試，通過(guò)一種U形的分子，它們可以共同生長(zhǎng)形成一個(gè)蛇形和附加的甲基組，從而完成了這個(gè)“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(gè)邊緣，電子全部可以朝著同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象被稱為“鐵磁體耦合”。同時(shí)，“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(zhuǎn)。這樣，在一邊的電子具有“向上旋轉(zhuǎn)”的狀態(tài)，在另一邊的電子具有“向下旋轉(zhuǎn)”的狀態(tài)。兩個(gè)獨(dú)立的但方向相反的旋轉(zhuǎn)通道，就在納米帶邊緣形成，好像一個(gè)大路上具有分開(kāi)的車道一般。繼而，還可以設(shè)計(jì)使它根據(jù)能量來(lái)打開(kāi)或者關(guān)閉。這就得到了一個(gè)納米級(jí)的、非常節(jié)能的晶體管雛形。

?石墨烯納米帶的圖案模板，根據(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）

這樣的一種可能性，使得這種石墨烯納米帶對(duì)于自旋電子設(shè)備來(lái)說(shuō)非常有用。這種結(jié)合，促使科學(xué)家們預(yù)測(cè)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。