瑞士聯邦材料測試與開發研究所：石墨烯納米帶研究取得新成就

瑞士聯邦材料測試與(yu) 開發研究所：石墨烯納米帶研究取得新成就


最近，瑞士聯邦材料測試與(yu) 開發研究所、德國馬克斯普朗克聚合物研究所的同事和其他合作夥(huo) 伴取得了重大突破，未來將用於(yu) 精確的納米晶體(ti) 管甚至量子計算機。

石墨烯是當今最流行的新型材料之一，它是由單層碳原子組成的蜂窩結構。它是世界上已知的最薄、最輕、最結實的材料。石墨烯被譽為(wei) 新材料之王，對整個(ge) 工業(ye) 的影響將具有顛覆性，目前已應用於(yu) 柔性電子、高效晶體(ti) 管、傳(chuan) 感器、新材料、電池、超級電容器、半導體(ti) 製造、新能源、通信、電子器件等多個(ge) 科學技術領域。阿赫茨技術、醫療等。

石墨烯導電性能非常好，甚至比銅強。石墨烯中的碳原子以獨特的方式排列。電子很容易以高速通過，而散射則不容易。因此，它不會(hui) 像其他導體(ti) 那樣浪費很多能量。

然而，石墨烯優(you) 良的導電性也成為(wei) 一個(ge) 重要的限製：它不適用於(yu) 半導體(ti) 應用。眾(zhong) 所周知，矽是當今最廣泛使用的半導體(ti) 材料。它的帶隙足夠大，可以用來接通或斷開電流。這種能力對現代二進製計算機的關(guan) 鍵元件晶體(ti) 管至關(guan) 重要。不幸的是，石墨烯沒有這樣的帶隙。

然而，石墨烯納米帶可以突破這一限製，充分發揮石墨烯的半導體(ti) 潛能。納米帶隻有幾個(ge) 碳原子寬，一個(ge) 碳原子厚。根據其形狀和寬度，納米帶將具有不同的電子性質：導體(ti) 、半導體(ti) 和絕緣體(ti) 。

為(wei) 此，作者介紹了瑞士聯邦材料試驗與(yu) 發展研究所（EMPA）的研究人員與(yu) 德國馬克斯普朗克聚合物研究所和加州大學伯克利分校的研究人員合作，生產(chan) 寬度僅(jin) 為(wei) 1納米、長度為(wei) 50納米的石墨烯納米帶。以及製造隻有幾個(ge) 原子寬度的納米晶體(ti) 管。

今天，讓我們(men) 繼續關(guan) 注由瑞士聯邦材料測試與(yu) 開發研究所（EMPA）納米技術表麵實驗室領導的國際研究團隊使用石墨烯納米帶所取得的新成就。

EMPA的研究人員與(yu) 德國緬因州馬克斯普朗克聚合物研究所的同事以及其他合作夥(huo) 伴取得了重大突破。他們(men) 通過獨特的改變石墨烯納米帶的形狀，成功地調整了其性能。這項技術的獨特之處在於(yu) ，它不僅(jin) 可以改變傳(chuan) 統的性能，而且還可以改變傳(chuan) 統的性能。上麵提到過，但也可以用來產(chan) 生獨特的局部量子態。

在不久的將來，它將被用於(yu) 實現精確的納米晶體(ti) 管甚至量子計算機，研究小組在最新一期的《自然》雜誌上發表了研究結果。

那麽(me) ，這項研究背後的機製是什麽(me) 呢如果石墨烯納米帶的寬度發生變化，在這種情況下，從(cong) 7個(ge) 原子到9個(ge) 原子，在過渡過程中會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 特殊的區域。由於(yu) 這兩(liang) 個(ge) 區域的電子性質因其特殊的拓撲模式而不同，因此在過渡區域中會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 新的受保護且非常強大的量子態。這種局域性ZED電子量子態現在可以作為(wei) 生產(chan) 定製半導體(ti) 、金屬或絕緣體(ti) 的基本元件，甚至可以作為(wei) 量子計算機的一部分。

當石墨烯納米帶包含不同寬度的區域時，過渡區將產(chan) 生新的量子態。

由Oliver Grning領導的EMPA研究人員可以證明，如果不同寬度的區域有規律地交替地由這些納米帶組成，將通過大量的轉換形成一個(ge) 具有獨特電子結構和互連的量子態鏈。令人興(xing) 奮的是，這種量子態鏈的電子性質HAIN根據不同分區的寬度而不同。這使得它們(men) 可以被微調，從(cong) 導體(ti) 到具有不同帶隙的半導體(ti) 。這一原理可以應用於(yu) 不同類型的過渡區，如7到11個(ge) 原子。

格寧說，獨立於(yu) 我們(men) 的加利福尼亞(ya) 大學伯克利分校的一個(ge) 研究小組也取得了類似的成果。這個(ge) 事實也強調了這項研究和發展的重要性。美國研究小組的研究發表在同一期《自然》雜誌上。

頂部（第1行）：混合納米帶由兩(liang) 個(ge) 不同的前體(ti) 分子製成。左（小）前體(ti) 分子形成一個(ge) 光滑的7個(ge) 碳原子寬的納米帶。較大的前體(ti) 分子形成7到11個(ge) 碳原子寬度的菱形分區。

原子力顯微術（原子力顯微術）（第2行）：在石墨烯納米帶中間有五個(ge) 菱形區（7-11區），在左右兩(liang) 側(ce) 有七個(ge) 平滑的原子寬度納米帶，黑色的比例為(wei) 1納米。

掃描隧道顯微術（第3行）：金剛石區域兩(liang) 端的局部量子態（亮區）的顯微圖像。分區與(yu) 上述AFM圖像相對應。

掃描隧道顯微圖像的模擬（第4行）：實驗中量子態如何出現在金剛石分區兩(liang) 端的理論預測。

基於(yu) 新的量子鏈，科學家們(men) 將能夠在未來製造出精確的納米晶體(ti) 管，這將是朝著納米電子學目標邁出的重要一步。狀態1和狀態0之間的切換距離是否足夠大取決(jue) 於(yu) 半導體(ti) 的帶隙。根據這種新方法，幾乎可以隨意設置。

事實上，一切都不是那麽(me) 簡單。為(wei) 了使這條鏈具有所需的電子性質，數百甚至數千個(ge) 原子必須處於(yu) 正確的位置。EMPA研究人員Grning說：這是基於(yu) 複雜的跨學科研究。來自Dubendorf、Mainz、Dresden和Troy（美國）的研究人員一起工作，從(cong) 理論理解和具體(ti) 知識（必須如何構建前體(ti) 分子以及表麵結構如何選擇性生長）到使用掃描隧道顯微鏡進行結構和電子分析。。

如今，電子電路變得越來越小。超小型晶體(ti) 管將是下一個(ge) 發展目標，但也是本研究的一個(ge) 明顯的應用可能性。盡管技術上具有挑戰性，但基於(yu) 納米晶體(ti) 管的電子器件的工作方式與(yu) 當今的微電子器件基本相同。EMPA的研究人員已經創造出了半導體(ti) 納電子器件。將晶體(ti) 管的溝道截麵縮小到現在製造的晶體(ti) 管的千分之一的Noribbon。然而，我們(men) 可以進一步想象其他的可能性，如自旋電子學甚至量子信息學。

這是因為(wei) 不同寬度的石墨烯納米帶連接處的電子量子態也帶有磁矩。這使得它可以在不帶電荷的情況下處理信息（以前通常的方法），但使用所謂的自旋，也就是旋轉狀態。相關(guan) 的發展可以更進一步。Oliver Grning解釋說：我們(men) 已經觀察到拓撲結束態出現在一個(ge) 特定的量子子鏈的末端，可以作為(wei) 量子比特的一部分，量子計算機中的一種複雜的互鎖態。

然而，在不久的將來，通過納米帶構造量子計算機是不可能的，還有許多研究要進行。Grning說，通過單量子態的目標組合靈活調整電子特性是新材料生產(chan) 的一個(ge) 巨大飛躍。這些材料在一般環境條件下是穩定的，在未來的應用發展中將發揮重要作用。

格蘭(lan) 寧說：將來，利用這些鏈來創造局部量子態，並以有針對性的方式將它們(men) 連接起來，也將具有巨大的潛力和吸引力，盡管這種潛力是否能被未來的量子計算機所利用還不得而知。在納米帶中創造局部拓撲態還不夠，納米帶必須是成對的。d與(yu) 其他材料，如超導體(ti) ，在某種程度上滿足量子比特的實際條件。

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