说起石墨烯这个材料，我们已经再熟悉不过了，今年发表在Science和Nature顶刊上关于石墨烯的文章有十几篇，可以看出其研究的浪潮还未消退，同时也意味着石墨烯真的具有极大的应用潜力！它具有常温下高于纳米碳管或硅晶体的电子迁移率、低于铜或银的电阻率等物理特性，因此成为了制备功耗更小、速率更高的新一代纳米电子元件的重要基础性材料。石墨烯纳米带（Graphenenanoribbon）是指大概宽度小于50nm的石墨烯条带。其理论模型最初于1996年提出。为了要赋予单层石墨烯某种电性，会按照特定样式切割石墨烯，形成石墨烯纳米带。切开的边缘形状可以分为锯齿形和扶手椅形。采用紧束缚近似模型做出的计算，预测锯齿形具有金属键性质，又预测扶手椅形具有金属键性质或半导体性质。到底是哪种性质，要依宽度而定。

事实上，对于石墨烯的研究早在2004年前就已经在进行了，十余年来，各国科研人员针对石墨烯开展了大量研究工作，试图研制出高效、可控的制备石墨烯纳米带的技术工艺。基于法国SOLEIL同步加速器X射线等实验的研究成果，法美科学团队于2012年11月成功研制出一种用于生产石墨烯纳米带半导体的方法。科研人员在碳化硅表面刻蚀凹槽，并以此作为基板，通过控制基板的几何形状，在其上形成仅有几纳米宽的石墨烯纳米带。该项技术可在常温下进行，其制备的石墨烯半导体仅为此前IBM公司所制纳米带的五分之一宽。该技术可高效、可控地制备石墨烯半导体，为石墨烯规模化工业生产带来可能，同时也使新一代高密度集成电路的制备不再遥不可及。石墨烯纳米带生产新工艺的开发成功，使其规模化工业生产成为可能。

那到底是什么特殊性能使得石墨烯纳米带备受关注呢？来了解一下。

石墨烯纳米带的结构具有高电导率、高热导率、低噪声，这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择，有可能替代铜金属。有些研究者试着用石墨烯纳米带来制成量子点，他们在纳米带的某些特定位置改变宽度，形成量子禁闭（quantumconfinement）。并且，石墨烯纳米带的低维结构具有非常重要的光电性能：粒子数反转和宽带光增益。这些优良品质促使石墨烯纳米带放在微腔或纳米腔体中形成激光器和放大器。根据2012年10月的一份研究表明有些研究者试着将石墨烯纳米带应用于光通信系统，发展石墨烯纳米激光器。

但是，石墨烯纳米带（GNR）中坚固的金属态的设计和制造具有挑战性，因为当在纳米长度尺度上对石墨烯进行构图时，横向量子限制和多电子相互作用会引起电子带隙。自下而上合成的最新进展使原子精确的GNR的设计和表征成为可能，但是实现GNR金属性的策略却难以捉摸。

为了解决这个长期困扰科学界的难题，加州大学伯克利分校Michael F. Crommie教授课题组研究人员演示了使用原子级精确的自下而上合成方法来设计和制备金属GNR的通用方法。这是通过将局部零模态对称超晶格嵌入半导体GNR中实现的。相邻零模态之间电子的量子机械跳跃会导致金属带，如基本紧束缚电子结构模型所预测的。使用扫描隧道光谱（STS）和第一性原理理论建模，作者发现零模式仅局限于石墨烯的两个亚晶格（即亚晶格极化态）中的一个，会导致窄带金属相驻留在磁性体的边界处不稳定。但是，通过有意破坏GNR的两部分对称性，可以将这些GNR的金属带宽增加20倍以上，从而获得坚固的金属性。这是通过在每个GNR晶胞中仅诱导形成两个新的碳-碳键来实现的（每个晶胞在此处显示的自下而上合成GNR中均包含94个碳原子）。电子结构的这种显著变化是由于看似较小的化学键重排而引起的，这是由于伴随破裂的二分对称性而导致的亚晶格极化损失的缘故！相关研究工作以“Inducing metallicityin graphene nanoribbons via zero-mode superlattices”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

图2. sGNR的电子结构

为了通过实验确定GNR金属性，使用STM光谱对sGNR的电子结构进行了表征，发现它们具有拓扑同质结和金属-半导体异质结，正如理论上的预期。

图3 5-sGNR的电子结构

对5-sGNRs进行了类似的实验分析（图3A）。可以看到5-sGNR的点光谱与sGNR的点光谱完全不同。在相似的能量下观察到了与5-sGNR 的价带边缘（V = –1.12±0.03 V，状态1）和导带边缘（V = 1.64±0.09 V，状态3）相关的特征， 5-sGNR的光谱在V = 0时没有中心峰。

图4 零模带结构

图5 sGNR中的零模工程

综上所述，作者通过将零能量模式的对称超晶格插入到半导体GNR中，展示了一种用于在GNR中诱导金属性的通用技术。作者使用扫描隧道光谱以及第一原理密度泛函理论和紧密结合计算来验证所得的金属性，相信这项突破为金属石墨烯纳米带的制备提供了新思路，有效调控了石墨烯纳米带的电子结构，充分利用石墨烯的本身特性，将为石墨烯纳米带在微电子领域的应用打下坚实基础，未来可期！

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