石墨烯变形记：《Nature》报道首次合成锯齿形边缘石墨烯纳米带

石墨烯可以说是当今科研领域炙手可热的 “Superstar”，昨天X-MOL刚报道了石墨烯可穿戴设备在监控糖尿病方面的突破（点击阅读），今天的主角依然还是石墨烯。

纯石墨烯堪称世上电阻率最小的材料，但这种超好的导电性也限制了它在电子元件（如场效应晶体管）中的应用，该领域中的理想材料是半导体，本身不导电，除非它的电子被外界能量如热、光或外部电压激发。石墨烯能否变成半导体呢？答案当然是肯定的。瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）的Roman Fasel与德国马普高分子研究所的Klaus Müllen和冯新亮（Xinliang Feng）等人在2010年发现，通过设计石墨烯的纳米结构，使之变形为石墨烯纳米带（graphene nanoribbons，GNR）之后，这种材料就具有了类似半导体材料的性质（Nature 466, 470-473）。最近，他们再次做出突破，首次合成具有完美锯齿形边缘的石墨烯纳米带（ZGNR），让科学家们可以赋予石墨烯纳米带更多不同的性质。（On-surface synthesis of graphene nanoribbons with zigzag edge topology. Nature, DOI: 10.1038/nature17151）

锯齿形边缘GNR以及制备过程中用到的先导分子示意图。电子在锯齿形边缘两侧呈现不同的自旋方向，底部（橙色）向上旋转，顶部（蓝色）向下旋转。图片来源：EMPA

完美的蓝图

为了形成特殊的锯齿形边缘石墨烯纳米带，需要先选择合适的前体分子。有机合成还能容忍反应过程中存在副产物，石墨烯纳米带的表面合成则要求一切都要设计好，只能得到唯一产物。有些前体分子会生成凹凸形边缘（下图a），而不会乖乖排列成锯齿状。科学家们在计算机模拟和实验之间不断的重复，最终设计出最佳路线，利用表面辅助聚合和专门设计的前体单体分子，得到了具有原子精度的锯齿形边缘蓝图，并最终合成锯齿形边缘石墨烯纳米带（下图b、c）。

为了检查这种边缘能否精确到原子水平，研究人员使用原子力显微镜（AFM）对其原子结构进行观察（下图c）。另外，他们还使用扫描隧道谱（STS）来表征锯齿边缘的电子状态。

使用不同的前体单体，科学家们还能对锯齿形边缘石墨烯纳米带的边缘进行修饰，得到不同的纳米结构（如下图）。

有趣的电子内旋

锯齿形边缘石墨烯纳米带的特殊之处当然不只是外形。其中，一条边缘上的电子都以相同方向自旋，这被称为铁磁耦合（ferro-magnetic coupling）；同时，所谓的反铁磁耦合（antiferromagnetic coupling）使得另一边缘的所有电子以相反的方向自旋。因此，锯齿形边缘石墨烯纳米带呈现出一条边缘所有电子处于“自旋向上”的状态，而另一条边缘的所有电子处于“自旋向下”的状态。这样，两个独立具方向“背道而驰”的自旋通道出现在带缘，就像有两条分离车道的公路。通过在这些边缘集成结构缺陷，或由外部提供电、磁或光信号，自旋电子器件（spintronic devices）就能被设计出来，比如纳米级且非常节能的晶体管。

如果这种技术能够获得实际运用，可以想象现在以硅为基础的电子器件体积和能耗都会成数量级的缩小，这会给我们的未来带来什么呢？

1. http://www.nature.com/nature/journal/v531/n7595/full/nature17151.html

2. https://www.sciencedaily.com/releases/2016/03/160324134329.htm