通过“原子精确”方法合成的石墨烯带

石墨烯纳米带是原子厚度的碳片的微小条带，在一系列纳米级器件中具有潜在的应用。然而，目前自上而下的合成方法(将石墨烯薄片切成窄条)缺乏原子尺度的精度，限制了石墨烯带的实际应用。

仅仅一两个原子宽度的差异就会极大地改变组件的性质，从而损害单层石墨烯的宝贵性质。

由美国能源部橡树岭国家实验室领导的研究团队开发了一种自下而上的方法来构建石墨烯纳米带，这种方法可以应用于构建其他纳米级设备。这种原子精确的方法允许石墨烯的有价值的性质被保留，因为石墨烯的部分被进一步减少。

该实验室利用他们在扫描隧道显微镜方面的专业知识来操作和探索材料:“这些显微镜允许你在原子尺度上直接成像和操作物质，”该研究的主要作者Marek Kolmer博士说科学描述该方法的论文。

“针尖非常细，基本上只有一个原子那么大。显微镜一行一行地移动，不断测量针和表面之间的相互作用，并绘制出表面结构的原子精确地图。”

在之前的实验中，纳米带是在金属基板上合成的，这抑制了纳米带的电子特性。

“让这些丝带的电子特性像设计的那样工作是整个故事。从应用的角度来看，使用金属衬底是没有用的，因为它屏蔽了性能，”Kolmer解释道。“这是该领域的一个巨大挑战:我们如何有效地将分子网络解耦以转移到晶体管上?”

标准的解耦方法包括将组件从真空中取出，并将其置于一个多步骤的化学过程中，这需要蚀刻掉金属基板。这降低了创建系统所涉及的极端精度。

Kolmer和他的同事反而开发了一种化学前驱体的设计，可以直接在二氧化钛表面合成(表面合成)。他们的合成过程允许他们获得某些性质，这些性质“基本上被编程到前体中”，使他们能够精确地控制系统。由此产生的系统可以进一步探讨;例如，它的宽带隙使其适合作为纳米级晶体管的基础。

这一过程也帮助研究人员保持了一种开壳结构，这使他们能够在原子水平上探索具有独特量子特性的分子。

同样来自橡树岭国家实验室的李安平说:“发现这些石墨烯带在末端具有耦合磁态，也称为量子自旋态，特别值得。”“这些状态为我们提供了一个研究磁相互作用的平台，希望为量子信息科学的应用创造量子比特。”

由于碳基分子材料的磁性相互作用受到的干扰最小，这种方法可以允许从材料内部“编程”持久的磁性状态。