純石墨烯堪稱(chēng)世上電阻率最小的材料，但這種超好的導(dǎo)電性也限制了它在電子元件（如場(chǎng)效應(yīng)晶體管）中的應(yīng)用，該領(lǐng)域中的理想材料是半導(dǎo)體，本身不導(dǎo)電，除非它的電子被外界能量如熱、光或外部電壓激發(fā)。石墨烯能否變成半導(dǎo)體呢？答案當(dāng)然是肯定的。瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（EMPA）的RomanFasel與德國(guó)馬普高分子研究所的KlausMüllen和馮新亮（XinliangFeng）等人在2010年發(fā)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)石墨烯的納米結(jié)構(gòu)，使之變形為石墨烯納米帶（graphenenanoribbons，GNR）之后，這種材料就具有了類(lèi)似半導(dǎo)體材料的性質(zhì)（Nature466,470-473）。最近，他們?cè)俅巫龀鐾黄?，首次合成具有完美鋸齒形邊緣的石墨烯納米帶（ZGNR），讓科學(xué)家們可以賦予石墨烯納米帶更多不同的性質(zhì)。（On-surfacesynthesisofgraphenenanoribbonswithzigzagedgetopology.Nature,DOI:10.1038/nature17151）

鋸齒形邊緣GNR以及制備過(guò)程中用到的先導(dǎo)分子示意圖。電子在鋸齒形邊緣兩側(cè)呈現(xiàn)不同的自旋方向，底部（橙色）向上旋轉(zhuǎn)，頂部（藍(lán)色）向下旋轉(zhuǎn)。為了形成特殊的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶，需要先選擇合適的前體分子。有機(jī)合成還能容忍反應(yīng)過(guò)程中存在副產(chǎn)物，石墨烯納米帶的表面合成則要求一切都要設(shè)計(jì)好，只能得到唯一產(chǎn)物。有些前體分子會(huì)生成凹凸形邊緣（下圖a），而不會(huì)乖乖排列成鋸齒狀。科學(xué)家們?cè)谟?jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)之間不斷的重復(fù)，最終設(shè)計(jì)出最佳路線，利用表面輔助聚合和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的前體單體分子，得到了具有原子精度的鋸齒形邊緣藍(lán)圖，并最終合成鋸齒形邊緣石墨烯納米帶。

為了檢查這種邊緣能否精確到原子水平，研究人員使用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)其原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。另外，他們還使用掃描隧道譜（STS）來(lái)表征鋸齒邊緣的電子狀態(tài)。使用不同的前體單體，科學(xué)家們還能對(duì)鋸齒形邊緣石墨烯納米帶的邊緣進(jìn)行修飾，得到不同的納米結(jié)構(gòu)。

有趣的電子內(nèi)旋

鋸齒形邊緣石墨烯納米帶的特殊之處當(dāng)然不只是外形。其中，一條邊緣上的電子都以相同方向自旋，這被稱(chēng)為鐵磁耦合（ferro-magneticcoupling）；同時(shí)，所謂的反鐵磁耦合（antiferromagneticcoupling）使得另一邊緣的所有電子以相反的方向自旋。因此，鋸齒形邊緣石墨烯納米帶呈現(xiàn)出一條邊緣所有電子處于“自旋向上”的狀態(tài)，而另一條邊緣的所有電子處于“自旋向下”的狀態(tài)。這樣，兩個(gè)獨(dú)立具方向“背道而馳”的自旋通道出現(xiàn)在帶緣，就像有兩條分離車(chē)道的公路。通過(guò)在這些邊緣集成結(jié)構(gòu)缺陷，或由外部提供電、磁或光信號(hào)，自旋電子器件（spintronicdevices）就能被設(shè)計(jì)出來(lái)，比如納米級(jí)且非常節(jié)能的晶體管。

如果這種技術(shù)能夠獲得實(shí)際運(yùn)用，可以想象現(xiàn)在以硅為基礎(chǔ)的電子器件體積和能耗都會(huì)成數(shù)量級(jí)的縮小，這會(huì)給我們的未來(lái)帶來(lái)什么呢？