石墨烯納米帶的表面合成可以促進量子器件的發展

一個國際性的多機構科學家團隊使用原子精確方法在二氧化鈦表面上合成了石墨烯納米帶(碳原

子的超薄帶)，該方法消除了量子信息科學所需的定制設計碳納米結構的障礙。

石墨烯由單原子厚度的碳層組成，具有超輕，導電和極強的機械特性。由于其高度可調的電子，

光學和傳輸特性，受到廣泛研究的材料有望改變電子和信息科學。

當石墨烯制成納米帶時，它可以應用于納米級器件中。但是，在使用當前最先進的“自上而下”

合成方法(將石墨烯片切成原子窄條)時，原子級精度的缺乏阻礙了石墨烯的實際使用。

研究人員開發了一種“自下而上”的方法-直接在原子水平上構建石墨烯納米帶，使其可以用于

特定應用，這是由位于美國加利福尼亞州的納米相材料科學中心(CNMS)構思和實現的。能源部

的橡樹嶺國家實驗室。

隨著石墨烯鏈段越來越小，這種絕對精確的方法有助于保留石墨烯單層的寶貴特性。僅一個或兩

個原子的寬度差異就可以顯著改變系統的特性，從而將半導體帶變成金屬帶。該團隊的結果在《

科學》中進行了描述。

ORNL的Marek Kolmer，CNMS掃描隧道顯微鏡小組的Li-Ping和Wonhee Ko與私人研究公司Espeem以

及多家歐洲機構的研究人員合作進行了該項目：Friedrich Alexander University Erlangen-

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

ORNL在掃描隧道顯微鏡方面擁有獨一無二的專業知識，這對團隊的成功至關重要，包括處理前體

材料和驗證結果。

博士后研究員，論文的主要作者科爾默說：“這些顯微鏡使您可以直接在原子尺度上成像和處理

物質。” “針的尖端是如此之細，以至于它實質上是單個原子的大小。顯微鏡正在逐行移動，

并不斷地測量針與表面之間的相互作用，并繪制出原子精確的表面結構圖。”

在過去的石墨烯納米帶實驗中，該材料是在金屬基材上合成的，這不可避免地抑制了納米帶的電

子性能。

Kolmer說：“使這些色帶具有良好的電子性能是設計的全部內容。從應用的角度來看，使用金屬

基材是沒有用的，因為它可以屏蔽這些性能。” “這是一個巨大的挑戰，我們如何有效地分離

分子網絡以轉移到晶體管?”

當前的去耦方法涉及將系統從超高真空條件下移除，并使其經過多步濕化學工藝，該工藝需要將

金屬基板蝕刻掉。此過程與創建系統時使用的仔細，干凈的精度相矛盾。

為了找到適用于非金屬基材的工藝，Kolmer開始對氧化物表面進行實驗，以模仿金屬上使用的策

略。最終，他求助于一組專門研究氟芳烴化學的歐洲化學家，并開始研究一種化學前體的設計，

該化學前體可直接在金紅石型二氧化鈦表面合成。

該論文的資深作者，領導CNMS團隊的李說：“表面合成使我們能夠制造出非常高的精度，并實現

了這一目標，我們是從分子前體開始的。” “我們獲得某些特性所需的反應基本上已被編程到

前體中。我們知道反應將發生的溫度，通過調節溫度，我們可以控制反應的順序。”

Li補充說：“表面合成的另一個優點是可以用作前體的候選材料種類繁多，從而具有很高的可編

程性。”

化學物質的精確應用使系統解耦也有助于維持開殼結構，從而使研究人員能夠在原子級上構建和

研究具有獨特量子特性的分子。李說：“發現這些石墨烯帶在其末端具有耦合的磁態(也稱為量

子自旋態)特別令人高興。” “這些狀態為我們提供了研究磁性相互作用的平臺，并希望為量

子信息科學中的應用創建量子位。” 由于對碳基分子材料中的磁性相互作用幾乎沒有干擾，因

此該方法可以從材料內部編程持久的磁態。

他們的方法創建了與基板分離的高精度色帶，這對于自旋電子學和量子信息科學應用是理想的。

最終的系統非常適合進一步研究和構建，因為它具有較寬的帶隙，可能跨過傳遞開/關信號所需

的電子狀態之間的空間，因此可能是納米級晶體管。