瑞士聯邦材料測（cè）試（shì）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（cè）試與開發研（yán）究所：石（shí）墨烯納米帶研究取得（dé）新成就


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

石墨（mò）烯是當今最流行的新型材料之一，它是由單（dān）層（céng）碳（tàn）原子（zǐ）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（shí）墨烯被譽為新（xīn）材料之王，對整個工業的影響將具有顛覆性，目前已應用於柔性電子、高效晶體管、傳感器、新材料、電池、超級電容器、半導體製造、新能源（yuán）、通信、電子器件等多個科學技術領域（yù）。阿赫茨技術、醫療（liáo）等。

石墨烯導電性能非常好，甚至比（bǐ）銅強（qiáng）。石墨烯中的碳原子以獨特的方式排（pái）列（liè）。電子很容易以高速通過，而散射則不容易。因此，它（tā）不會像其他導體那（nà）樣浪費很（hěn）多能量（liàng）。

然而，石墨烯優良的（de）導電性也成為一個重要的限製：它不適用於半（bàn）導體應用（yòng）。眾所周（zhōu）知，矽是當今最廣泛使用的半導體（tǐ）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（duì）現代二進製計（jì）算機的關鍵元件晶體管至關重要。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（bàn）導體潛能。納米帶隻有幾個碳原子寬，一個碳原子厚。根據其形狀（zhuàng）和寬度，納米帶將具有不同（tóng）的電子性質：導體、半導體（tǐ）和絕（jué）緣體。

為此，作者介紹了瑞士聯邦（bāng）材料試驗與發展研究所（EMPA）的研究人員與德國馬克斯普朗克聚合物（wù）研究所和加州大學伯克利分校的研究人員合作，生產寬度僅為1納米、長度為50納（nà）米的石墨烯納米帶。以及製造隻有幾個原子寬度的納米晶體管。

今天，讓我們繼續（xù）關注由瑞士聯邦材料測試與開發研究所（EMPA）納米（mǐ）技（jì）術表麵實驗室領導的國際研究（jiū）團隊使用石墨烯（xī）納米帶所取得的新（xīn）成（chéng）就。

EMPA的研究人員與德國緬（miǎn）因州馬克斯普朗（lǎng）克聚合物研究所的同事以及其他（tā）合作（zuò）夥伴取得了重大突破。他們通過獨特（tè）的改變石（shí）墨烯納米帶的形狀，成（chéng）功地調整了其性能。這項技術的獨特之處在於，它不僅可（kě）以改變傳（chuán）統的性能，而且還可（kě）以改變傳統的性能。上麵提到過，但也可以用（yòng）來產（chǎn）生獨特的局部量子態。

在不久的將來，它將被用（yòng）於實現精確的納米晶體管甚至量子計算機，研究小組在（zài）最新一期的《自然》雜誌上發表了（le）研（yán）究結果。

那麽，這項研究背後（hòu）的（de）機製是什麽呢如果（guǒ）石墨烯納（nà）米帶的寬度發生變化，在這（zhè）種情況下（xià），從7個原子到9個原子，在（zài）過渡（dù）過（guò）程中會產（chǎn）生一個特殊（shū）的區域。由於這兩個區域的電子性質因其特殊的拓撲模式（shì）而不同，因此在過渡區域中會產生（shēng）一個新的受保（bǎo）護且非常強大的量子態。這種局域（yù）性（xìng）ZED電子量子態（tài）現在可以作為生產定製半導（dǎo）體、金屬或絕緣體的（de）基本元件，甚至可以作為（wéi）量子計算機的一部分。

當石墨烯納米（mǐ）帶包含不同寬度的區（qū）域時，過渡區將產生新的量子態。

由Oliver Grning領導的EMPA研（yán）究人員可（kě）以證明，如果不同寬度的區域有規律地交替（tì）地（dì）由這（zhè）些納米帶組成，將通過（guò）大量的轉換形成一個（gè）具有獨特電子結構和互連的（de）量子態鏈。令人興奮的是，這種量子態鏈的電子性（xìng）質HAIN根據不同分區的寬度而不同。這使得它們可以被微調，從（cóng）導體（tǐ）到具有不同帶隙的半導體。這一原理（lǐ）可以應用於不同類（lèi）型的（de）過渡（dù）區，如7到11個原子。

格寧說，獨（dú）立於（yú）我們的加利福尼亞大學伯克利分校的一個研究小組也取得了類似的成果。這個事實也強調了這（zhè）項研究和發展（zhǎn）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）：混合納米帶由兩個不同的前體分子製成。左（小）前體分子形成一個光滑的7個碳原子（zǐ）寬的納米（mǐ）帶。較大的前體分子形成7到11個碳原子寬度的菱形分區。

原子（zǐ）力顯微術（原子力（lì）顯微術）（第2行）：在石墨（mò）烯納米帶中間有五個菱形區（7-11區），在左右兩側有七個平滑的（de）原子寬度納米帶，黑色的比例為1納米。

掃描隧道顯微術（第3行（háng））：金剛（gāng）石（shí）區域兩端的局部量（liàng）子態（亮（liàng）區）的顯微圖像（xiàng）。分區與上述AFM圖（tú）像相對應。

掃描隧道顯微圖像的模擬（第4行）：實驗（yàn）中量子態如何出現在金剛（gāng）石分區兩端的理論預測。

基於新的量子鏈，科學家們將（jiāng）能夠在未來製造出精確的納米晶體管，這將是朝著納（nà）米電子學目標邁出的重要一步（bù）。狀態1和狀態0之間的切換距離是否足夠（gòu）大取決於（yú）半導體的帶隙。根據這種新方法（fǎ），幾乎可以隨（suí）意設置。

事實上，一切都不是那麽簡單。為了使這（zhè）條鏈（liàn）具有所需的電子性質，數（shù）百甚至（zhì）數千個原子必須處於正確（què）的位置。EMPA研究人員Grning說：這是基於複雜的跨學科研究。來自（zì）Dubendorf、Mainz、Dresden和Troy（美國）的研究人員一起工作，從理論理解和具體知（zhī）識（必須如何構建前體（tǐ）分子以及表麵結構如何（hé）選擇性生長）到使用掃描隧道顯微鏡進行結構（gòu）和電子分析。。

如（rú）今，電子電路（lù）變得越來越小。超（chāo）小型晶體管（guǎn）將是下一個發展目標（biāo），但也是本研究（jiū）的一個明顯的應用可能性（xìng）。盡管技術上具有（yǒu）挑戰性，但（dàn）基於納米晶（jīng）體管的（de）電子器（qì）件的工作方式與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納電子（zǐ）器件。將晶（jīng）體管的溝道（dào）截麵縮小到（dào）現在（zài）製造的晶體管的千分之一的Noribbon。然而，我們可以進一步想象其他的可能性，如自旋電子學甚至量子信（xìn）息學。

這是因為不同寬度的石墨烯納米帶連接處的電子量子態也帶有磁（cí）矩。這使得它可以在不帶電荷的情況下（xià）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。相關的發展可以（yǐ）更進一步。Oliver Grning解釋說：我們已經觀察到拓撲結束態出現在一個特定（dìng）的量子子鏈的末端，可以作（zuò）為量子比特的一部分（fèn），量子計算機中（zhōng）的一種複雜的互鎖（suǒ）態。

然而，在不久的將來，通過納米帶構造量子（zǐ）計算機是不可能的，還有（yǒu）許多研（yán）究要進行。Grning說，通過（guò）單量子態的目標組合靈活調整電子特性是新（xīn）材料（liào）生產（chǎn）的一個巨大飛躍（yuè）。這些材（cái）料在一般環境（jìng）條件下是穩定的，在（zài）未（wèi）來的應用發展中將發揮重要作（zuò）用。

格蘭寧說：將來，利（lì）用這些鏈來創造局（jú）部量子態，並以有針對性的方式將它們連接起來（lái），也將具有巨大的潛力和吸引力，盡管這種（zhǒng）潛力是否能被未來的量子計算機所利用（yòng）還（hái）不得而知（zhī）。在納米帶中創造（zào）局部拓撲態還不夠，納米帶必須（xū）是成對的。d與其他材料，如超導體，在某種程度上滿足（zú）量（liàng）子比特的（de）實際條件（jiàn）。

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