劳伦斯·伯克利国家实验室
锯齿形石墨烯纳米带的扫描隧道显微镜图像
学分:费利克斯·菲舍尔/伯克利实验室 自从石墨烯——一种只有一个原子厚的薄碳片——在15年多前被发现以来，这种神奇的材料就成了材料科学研究的主力
从这项工作中，其他研究人员了解到，沿着其蜂窝晶格的边缘切割石墨烯会产生具有奇异磁性的一维之字形石墨烯带或纳米带
许多研究人员试图利用纳米带不寻常的磁性，将其应用到碳基自旋电子器件中，通过电子自旋而不是电荷来编码数据，从而实现高速、低功耗的数据存储和信息处理技术
但是由于锯齿形纳米带具有很高的反应性，研究人员一直在努力研究如何观察它们的奇异特性，并将其引入现实世界的设备中
现在，正如12月的报道
22期《自然》杂志上，劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的研究人员开发了一种稳定石墨烯纳米带边缘并直接测量其独特磁性的方法
由费利克斯·菲舍尔和史蒂文·路易共同领导的研究小组发现，通过用氮原子取代丝带之字形边缘的一些碳原子，他们可以离散地调整局部电子结构，而不会破坏磁性
这种细微的结构变化进一步推动了扫描探针显微镜技术的发展，该技术可以在原子尺度上测量材料的局部磁性
“先前稳定之字形边缘的尝试不可避免地改变了边缘本身的电子结构，”路易说，他也是加州大学伯克利分校的物理学教授
他补充说:“这种困境注定了用实验技术获取它们的磁性结构的努力，直到现在，他们的探索还停留在计算模型上。”
在理论模型的指导下，Fischer和Louie设计了一种定制的分子构建模块，其特点是碳和氮原子的排列可以映射到所需的锯齿形石墨烯纳米带的特殊结构上
为了构建纳米带，首先将小分子构建块沉积在平坦的金属表面或基底上
接下来，表面被轻轻加热，激活每个分子两端的两个化学手柄
这一活化步骤破坏了化学键，留下了高活性的“粘性末端”
" 每当两个“粘性末端”相遇，同时活性分子在表面展开，分子结合形成新的碳碳键
最终，这个过程建立了分子积木的1D菊花链
最后，第二个加热步骤重新排列链的内部键，形成具有两个平行锯齿形边缘的石墨烯纳米带
“这种分子自下而上技术的独特优势在于，石墨烯带的任何结构特征，如氮原子的确切位置，都可以被编码到分子构建模块中，”费舍尔小组的研究生雷蒙德·布莱克威尔(Raymond Blackwell)说，他是该论文的共同第一作者，他与路易小组的研究生赵方舟也是该论文的共同作者
下一个挑战是测量纳米带的性质
“我们很快意识到，为了不仅测量而且实际量化由自旋极化纳米带边缘态引起的磁场，我们必须解决另外两个问题，”费希尔说，他也是加州大学伯克利分校的化学教授
首先，该团队需要弄清楚如何将玻璃带的电子结构与其基底分开
Fischer通过使用扫描隧道显微镜尖端来不可逆地破坏石墨烯纳米带和下面金属之间的联系，从而解决了这个问题
第二个挑战是开发一种直接测量纳米尺度磁场的新技术
幸运的是，研究人员发现，纳米带结构中被取代的氮原子实际上充当了原子尺度的传感器
对氮原子位置的测量揭示了沿之字形边缘的局部磁场的特征
路易利用国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算资源进行的计算得出了由带的自旋极化边缘状态引起的相互作用的定量预测
对磁相互作用的精确信号的显微测量与这些预测相匹配，并证实了它们的量子特性
“探索并最终开发出允许合理设计这些奇异磁性边缘的实验工具，为碳基自旋电子学打开了前所未有的机遇之门，”菲舍尔说，他指的是依赖电子内在特性的下一代纳米电子器件
未来的工作将包括探索定制设计的锯齿形石墨烯结构中与这些特性相关的现象
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