石墨烯纳米带的表面合成可以促进量子器件的发展

一个国际性的多机构科学家团队使用原子精确方法在二氧化钛表面上合成了石墨烯纳米带(碳原

子的超薄带)，该方法消除了量子信息科学所需的定制设计碳纳米结构的障碍。

石墨烯由单原子厚度的碳层组成，具有超轻，导电和极强的机械特性。由于其高度可调的电子，

光学和传输特性，受到广泛研究的材料有望改变电子和信息科学。

当石墨烯制成纳米带时，它可以应用于纳米级器件中。但是，在使用当前最先进的“自上而下”

合成方法(将石墨烯片切成原子窄条)时，原子级精度的缺乏阻碍了石墨烯的实际使用。

研究人员开发了一种“自下而上”的方法-直接在原子水平上构建石墨烯纳米带，使其可以用于

特定应用，这是由位于美国加利福尼亚州的纳米相材料科学中心(CNMS)构思和实现的。能源部

的橡树岭国家实验室。

随着石墨烯链段越来越小，这种绝对精确的方法有助于保留石墨烯单层的宝贵特性。仅一个或两

个原子的宽度差异就可以显着改变系统的特性，从而将半导体带变成金属带。该团队的结果在《

科学》中进行了描述。

ORNL的Marek Kolmer，CNMS扫描隧道显微镜小组的Li-Ping和Wonhee Ko与私人研究公司Espeem以

及多家欧洲机构的研究人员合作进行了该项目：Friedrich Alexander University Erlangen-

Nuremberg，Jagiellonian University和Martin Luther哈勒-威登堡大学。

ORNL在扫描隧道显微镜方面拥有独一无二的专业知识，这对团队的成功至关重要，包括处理前体

材料和验证结果。

博士后研究员，论文的主要作者科尔默说：“这些显微镜使您可以直接在原子尺度上成像和处理

物质。” “针的尖端是如此之细，以至于它实质上是单个原子的大小。显微镜正在逐行移动，

并不断地测量针与表面之间的相互作用，并绘制出原子精确的表面结构图。”

在过去的石墨烯纳米带实验中，该材料是在金属基材上合成的，这不可避免地抑制了纳米带的电

子性能。

Kolmer说：“使这些色带具有良好的电子性能是设计的全部内容。从应用的角度来看，使用金属

基材是没有用的，因为它可以屏蔽这些性能。” “这是一个巨大的挑战，我们如何有效地分离

分子网络以转移到晶体管?”

当前的去耦方法涉及将系统从超高真空条件下移除，并使其经过多步湿化学工艺，该工艺需要将

金属基板蚀刻掉。此过程与创建系统时使用的仔细，干净的精度相矛盾。

为了找到适用于非金属基材的工艺，Kolmer开始对氧化物表面进行实验，以模仿金属上使用的策

略。最终，他求助于一组专门研究氟芳烃化学的欧洲化学家，并开始研究一种化学前体的设计，

该化学前体可直接在金红石型二氧化钛表面合成。

该论文的资深作者，领导CNMS团队的李说：“表面合成使我们能够制造出非常高的精度，并实现

了这一目标，我们是从分子前体开始的。” “我们获得某些特性所需的反应基本上已被编程到

前体中。我们知道反应将发生的温度，通过调节温度，我们可以控制反应的顺序。”

Li补充说：“表面合成的另一个优点是可以用作前体的候选材料种类繁多，从而具有很高的可编

程性。”

化学物质的精确应用使系统解耦也有助于维持开壳结构，从而使研究人员能够在原子级上构建和

研究具有独特量子特性的分子。李说：“发现这些石墨烯带在其末端具有耦合的磁态(也称为量

子自旋态)特别令人高兴。” “这些状态为我们提供了研究磁性相互作用的平台，并希望为量

子信息科学中的应用创建量子位。” 由于对碳基分子材料中的磁性相互作用几乎没有干扰，因

此该方法可以从材料内部编程持久的磁态。

他们的方法创建了与基板分离的高精度色带，这对于自旋电子学和量子信息科学应用是理想的。

最终的系统非常适合进一步研究和构建，因为它具有较宽的带隙，可能跨过传递开/关信号所需

的电子状态之间的空间，因此可能是纳米级晶体管。