自從15年前科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)石墨烯以來(lái)，這種神奇的材料就成了材料科學(xué)研究的主力。根據(jù)一項(xiàng)新研究，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們了解到，沿著石墨烯的蜂窩狀晶格邊緣切開石墨烯，可以產(chǎn)生具有奇異磁性的一維鋸齒狀石墨烯條或納米帶。 　　

許多研究人員試圖將納米帶不尋常的磁性行為用于碳基自旋電子學(xué)設(shè)備，通過(guò)電子自旋而不是電荷來(lái)編碼數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息處理技術(shù)。但是，由于鋸齒形納米帶具有高度的活性，研究人員一直在努力解決如何觀察并將其奇異的特性引入現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)備中。 　　

現(xiàn)在，正如《自然》雜志所報(bào)道的，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法來(lái)穩(wěn)定石墨烯納米帶的邊緣，并直接測(cè)量其獨(dú)特的磁性。 　　

由Felix Fischer 和Steven Louie(兩人都是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的科學(xué)家)共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)用氮原子取代沿帶狀邊緣的一些碳原子，他們可以在不破壞磁性的情況下謹(jǐn)慎地調(diào)整局部電子結(jié)構(gòu)。這種微妙的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)一步促成了掃描探針顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，以便在原子尺度上測(cè)量該材料的局部磁性。 　　

“之前穩(wěn)定鋸齒形邊緣的嘗試不可避免地改變了邊緣本身的電子結(jié)構(gòu)，”Louie說(shuō)，他也是加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授。他補(bǔ)充說(shuō)：“這種困境注定了用實(shí)驗(yàn)技術(shù)獲取其磁結(jié)構(gòu)的努力，直到現(xiàn)在還將其探索歸結(jié)為計(jì)算模型?！?　　

在理論模型的指導(dǎo)下，F(xiàn)ischer和Louie設(shè)計(jì)了一種定制的分子構(gòu)件，其特點(diǎn)是碳和氮原子的排列，可以映射到所需的鋸齒形石墨烯納米帶的精確結(jié)構(gòu)。 　　

為了構(gòu)建納米帶，他們首先將小分子構(gòu)建塊沉積到一個(gè)平坦的金屬表面或基底上。接下來(lái)，表面被輕輕地加熱，激活每個(gè)分子兩端的兩個(gè)化學(xué)手柄。這個(gè)激活步驟打破了一個(gè)化學(xué)鍵，并留下了一個(gè)高度反應(yīng)的"粘性末端"。 　　

每當(dāng)兩個(gè)"粘性末端"相遇，而被激活的分子在表面散開時(shí)，這些分子就會(huì)結(jié)合起來(lái)形成新的碳-碳鍵。最終，這個(gè)過(guò)程建立了分子構(gòu)件的一維菊花鏈。最后，第二個(gè)加熱步驟重新排列鏈的內(nèi)部鍵，形成具有兩個(gè)平行鋸齒形邊緣的石墨烯納米帶。 　　

“這種分子自下而上技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是，石墨烯帶的任何結(jié)構(gòu)特征，例如氮原子的確切位置，都可以在分子構(gòu)件中進(jìn)行編碼，”Fischer小組的研究生、與Louie小組的研究生趙方舟一起擔(dān)任該論文的共同第一作者的Raymond Blackwell說(shuō)。 　　

下一個(gè)挑戰(zhàn)是測(cè)量納米帶的特性。Fischer說(shuō)：“我們很快意識(shí)到，為了不僅測(cè)量而且實(shí)際量化由自旋極化納米帶邊緣狀態(tài)引起的磁場(chǎng)，我們必須解決兩個(gè)額外的問(wèn)題，”他也是加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)教授。 　　

首先，研究小組需要弄清楚如何將帶狀物的電子結(jié)構(gòu)與它的基底分開。Fischer通過(guò)使用掃描隧道顯微鏡的尖端來(lái)不可逆地切斷石墨烯納米帶和底層金屬之間的聯(lián)系，解決了這個(gè)問(wèn)題。 　　

第二個(gè)挑戰(zhàn)是開發(fā)一種新技術(shù)來(lái)直接測(cè)量納米級(jí)的磁場(chǎng)。幸運(yùn)的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，納米帶結(jié)構(gòu)中被取代的氮原子實(shí)際上起到了原子級(jí)傳感器的作用。 　　

對(duì)氮原子位置的測(cè)量揭示了沿鋸齒形邊緣的局部磁場(chǎng)的特征。 　　Louie利用國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)的計(jì)算資源進(jìn)行的計(jì)算產(chǎn)生了對(duì)帶子的自旋極化邊緣狀態(tài)所產(chǎn)生的相互作用的定量預(yù)測(cè)。對(duì)磁相互作用的精確特征的顯微鏡測(cè)量與這些預(yù)測(cè)相匹配，并證實(shí)了它們的量子特性。 　　

Fischer說(shuō)：“探索并最終開發(fā)出允許合理設(shè)計(jì)這些奇異的磁性邊緣的實(shí)驗(yàn)工具，為碳基自旋電子學(xué)創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)，”他指的是依靠電子固有特性的下一代納米電子裝置。未來(lái)的工作將涉及探索與定制設(shè)計(jì)的鋸齒形石墨烯架構(gòu)中的這些特性相關(guān)的現(xiàn)象。