研究：石墨烯纳米带的突破可能带来高速、低功耗的纳米级数据存储

自从15年前科学家们发现石墨烯以来，这种神奇的材料就成了材料科学研究的主力。根据一项新研究，美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们了解到，沿着石墨烯的蜂窝状晶格边缘切开石墨烯，可以产生具有奇异磁性的一维锯齿状石墨烯条或纳米带。

许多研究人员试图将纳米带不寻常的磁性行为用于碳基自旋电子学设备，通过电子自旋而不是电荷来编码数据，从而实现高速、低功耗的数据存储和信息处理技术。但是，由于锯齿形纳米带具有高度的活性，研究人员一直在努力解决如何观察并将其奇异的特性引入现实世界的设备中。

现在，正如《自然》杂志所报道的，劳伦斯伯克利国家实验和加州大学伯克利分校的研究人员已经开发出一种方法来稳定石墨烯纳米带的边缘，并直接测量其独特的磁性。

由Felix Fischer 和Steven Louie（两人都是伯克利实验室材料科学部的科学家）共同领导的团队发现，通过用氮原子取代沿带状边缘的一些碳原子，他们可以在不破坏磁性的情况下谨慎地调整局部电子结构。这种微妙的结构变化进一步促成了扫描探针显微镜技术的发展，以便在原子尺度上测量该材料的局部磁性。

“之前稳定锯齿形边缘的尝试不可避免地改变了边缘本身的电子结构，”Louie说，他也是加州大学伯克利分校的物理学教授。他补充说：“这种困境注定了用实验技术获取其磁结构的努力，直到现在还将其探索归结为计算模型。”

在理论模型的指导下，Fischer和Louie设计了一种定制的分子构件，其特点是碳和氮原子的排列，可以映射到所需的锯齿形石墨烯纳米带的精确结构。

为了构建纳米带，他们首先将小分子构建块沉积到一个平坦的金属表面或基底上。接下来，表面被轻轻地加热，激活每个分子两端的两个化学手柄。这个激活步骤打破了一个化学键，并留下了一个高度反应的”粘性末端”。

每当两个”粘性末端”相遇，而被激活的分子在表面散开时，这些分子就会结合起来形成新的碳-碳键。最终，这个过程建立了分子构件的一维菊花链。最后，第二个加热步骤重新排列链的内部键，形成具有两个平行锯齿形边缘的石墨烯纳米带。

“这种分子自下而上技术的独特优势是，石墨烯带的任何结构特征，例如氮原子的确切位置，都可以在分子构件中进行编码，”Fischer小组的研究生、与Louie小组的研究生赵方舟一起担任该论文的共同第一作者的Raymond Blackwell说。

下一个挑战是测量纳米带的特性。Fischer说：“我们很快意识到，为了不仅测量而且实际量化由自旋极化纳米带边缘状态引起的磁场，我们必须解决两个额外的问题，”他也是加州大学伯克利分校的化学教授。

首先，研究小组需要弄清楚如何将带状物的电子结构与它的基底分开。Fischer通过使用扫描隧道显微镜的尖端来不可逆地切断石墨烯纳米带和底层金属之间的联系，解决了这个问题。

第二个挑战是开发一种新技术来直接测量纳米级的磁场。幸运的是，研究人员发现，纳米带结构中被取代的氮原子实际上起到了原子级传感器的作用。

对氮原子位置的测量揭示了沿锯齿形边缘的局部磁场的特征。

Louie利用国家能源研究科学计算中心（NERSC）的计算资源进行的计算产生了对带子的自旋极化边缘状态所产生的相互作用的定量预测。对磁相互作用的精确特征的显微镜测量与这些预测相匹配，并证实了它们的量子特性。

Fischer说：“探索并最终开发出允许合理设计这些奇异的磁性边缘的实验工具，为碳基自旋电子学创造了前所未有的机会，”他指的是依靠电子固有特性的下一代纳米电子装置。未来的工作将涉及探索与定制设计的锯齿形石墨烯架构中的这些特性相关的现象。