橡树岭国家实验室 科学家在二氧化钛基底上合成了蓝色的石墨烯纳米带，显示为黄色
丝带较轻的一端显示磁性状态
插图显示了末端如何上下旋转，适合创建量子位
信用:美国ORNL
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能量的 一个国际多机构科学家团队使用原子级精确方法，在二氧化钛表面合成了石墨烯纳米带——超薄的碳原子带，消除了量子信息科学所需的定制碳纳米结构的障碍
石墨烯由单原子厚的碳层组成，具有超轻、导电和极强的机械特性
由于其高度可调的电子、光学和传输特性，这种被广泛研究的材料有望改变电子和信息科学
当石墨烯被制成纳米带时，它可以应用于纳米器件；然而，使用当前最先进的“自上而下”合成方法(将石墨烯片切割成原子级窄条)缺乏原子级精度，阻碍了石墨烯的实际应用
研究人员开发了一种“自下而上”的方法——直接在原子水平上构建石墨烯纳米带，使其可以用于特定的应用，这是由位于能源部橡树岭国家实验室的纳米材料科学中心(CNMS)构思和实现的
随着石墨烯片段越来越小，这种绝对精确的方法有助于保持石墨烯单层的珍贵特性
仅仅一两个原子的宽度差异就能极大地改变系统的性质，将半导体带变成金属带
该小组的研究结果发表在《科学》杂志上
ORNL的马雷克·科尔默、扫描隧道显微镜小组的安-李萍和旺西·科与私人研究公司埃斯佩姆的研究人员以及几个欧洲机构合作完成了这个项目:弗里德里希·亚历山大大学埃尔兰根-纽伦堡分校、贾吉隆尼大学和马丁·路德大学哈雷-威登堡分校
ORNL在扫描隧道显微镜方面独一无二的专业知识对该团队的成功至关重要，无论是在操纵前体材料还是验证结果方面
“这些显微镜可以让你在原子尺度上直接成像和操纵物质，”该论文的主要作者、博士后科尔默说
“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，不断地测量针和表面之间的相互作用，并绘制出原子级精确的表面结构图
" 在以往的石墨烯纳米带实验中，材料是在金属基底上合成的，这不可避免地抑制了纳米带的电子性质
“让这些丝带的电子特性按照设计工作是整个故事
从应用的角度来看，使用金属基板是没有用的，因为它屏蔽了属性，”科尔默说
“这是这个领域的一大挑战——我们如何有效地将分子网络去耦，以传输到晶体管？” 目前的解耦方法包括将系统从超高真空条件下移除，并使其经历多步湿化学过程，这需要蚀刻掉金属衬底
这个过程与创建系统时所使用的细致、干净的精确度相矛盾
为了找到一种可以在非金属基底上工作的工艺，科尔默开始用氧化物表面进行实验，模仿在金属上使用的策略
最终，他求助于一群专攻氟代芳烃化学的欧洲化学家，开始着手设计一种化学前体，这种化学前体可以直接在金红石型二氧化钛表面合成
“表面合成技术使我们能够制造出高精度的材料，为此，我们从分子前体开始，”团队负责人、该论文的资深作者李说
“我们获得某些特性所需的反应本质上已被编入前驱体
我们知道反应发生的温度，通过调节温度，我们可以控制反应的顺序
" “表面合成的另一个优势是可以用作前体的候选材料的广泛库，允许高水平的可编程性，”李补充说
精确应用化学物质来分离系统也有助于保持开放的壳层结构，使研究人员能够在原子水平上构建和研究具有独特量子特性的分子
“发现这些石墨烯带在其末端具有耦合的磁态，也称为量子自旋态，这是特别值得的，”李说
“这些状态为我们提供了一个研究磁相互作用的平台，希望创造量子比特用于量子信息科学
“由于碳基分子材料中的磁相互作用很少受到干扰，这种方法允许从材料内部对持久的磁状态进行编程
他们的方法创造了一个高精度的带状结构，与衬底分离，这是自旋电子学和量子信息科学应用所需要的
最终的系统非常适合进一步探索和构建，可能作为纳米级晶体管，因为它具有宽的带隙，跨越传送开/关信号所需的电子状态之间的空间
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