純石墨烯堪稱世上電阻率最小的材料，但這種超好的導電性也限制了它在電子元件（如場效應晶體管）中的應用，該領域中的理想材料是半導體，本身不導電，除非它的電子被外界能量如熱、光或外部電壓激發(fā)。石墨烯能否變成半導體呢？答案當然是肯定的。瑞士聯(lián)邦材料科學與技術實驗室（EMPA）的RomanFasel與德國馬普高分子研究所的KlausMüllen和馮新亮（XinliangFeng）等人在2010年發(fā)現(xiàn)，通過設計石墨烯的納米結構，使之變形為石墨烯納米帶（graphenenanoribbons，GNR）之后，這種材料就具有了類似半導體材料的性質（Nature466,470-473）。最近，他們再次做出突破，首次合成具有完美鋸齒形邊緣的石墨烯納米帶（ZGNR），讓科學家們可以賦予石墨烯納米帶更多不同的性質。（On-surfacesynthesisofgraphenenanoribbonswithzigzagedgetopology.Nature,DOI:10.1038/nature17151）

鋸齒形邊緣GNR以及制備過程中用到的先導分子示意圖。電子在鋸齒形邊緣兩側呈現(xiàn)不同的自旋方向，底部（橙色）向上旋轉，頂部（藍色）向下旋轉。為了形成特殊的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶，需要先選擇合適的前體分子。有機合成還能容忍反應過程中存在副產(chǎn)物，石墨烯納米帶的表面合成則要求一切都要設計好，只能得到唯一產(chǎn)物。有些前體分子會生成凹凸形邊緣（下圖a），而不會乖乖排列成鋸齒狀。科學家們在計算機模擬和實驗之間不斷的重復，最終設計出最佳路線，利用表面輔助聚合和專門設計的前體單體分子，得到了具有原子精度的鋸齒形邊緣藍圖，并最終合成鋸齒形邊緣石墨烯納米帶。

為了檢查這種邊緣能否精確到原子水平，研究人員使用原子力顯微鏡（AFM）對其原子結構進行觀察。另外，他們還使用掃描隧道譜（STS）來表征鋸齒邊緣的電子狀態(tài)。使用不同的前體單體，科學家們還能對鋸齒形邊緣石墨烯納米帶的邊緣進行修飾，得到不同的納米結構。

有趣的電子內(nèi)旋

鋸齒形邊緣石墨烯納米帶的特殊之處當然不只是外形。其中，一條邊緣上的電子都以相同方向自旋，這被稱為鐵磁耦合（ferro-magneticcoupling）；同時，所謂的反鐵磁耦合（antiferromagneticcoupling）使得另一邊緣的所有電子以相反的方向自旋。因此，鋸齒形邊緣石墨烯納米帶呈現(xiàn)出一條邊緣所有電子處于“自旋向上”的狀態(tài)，而另一條邊緣的所有電子處于“自旋向下”的狀態(tài)。這樣，兩個獨立具方向“背道而馳”的自旋通道出現(xiàn)在帶緣，就像有兩條分離車道的公路。通過在這些邊緣集成結構缺陷，或由外部提供電、磁或光信號，自旋電子器件（spintronicdevices）就能被設計出來，比如納米級且非常節(jié)能的晶體管。

如果這種技術能夠獲得實際運用，可以想象現(xiàn)在以硅為基礎的電子器件體積和能耗都會成數(shù)量級的縮小，這會給我們的未來帶來什么呢？