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自從15年前科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，這種神奇的材料就成了材料科學(xué)研究的主力。根據(jù)一項新研究，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的科學(xué)家們了解到，沿著石墨烯的蜂窩狀晶格邊緣切開石墨烯，可以產(chǎn)生具有奇異磁性的一維鋸齒狀石墨烯條或納米帶。
許多研究人員試圖將納米帶不尋常的磁性行為用于碳基自旋電子學(xué)設(shè)備，通過電子自旋而不是電荷來編碼數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)高速、低功耗的數(shù)據(jù)存儲和信息處理技術(shù)。但是，由于鋸齒形納米帶具有高度的活性，研究人員一直在努力解決如何觀察并將其奇異的特性引入現(xiàn)實世界的設(shè)備中。
現(xiàn)在，正如《自然》雜志所報道的，勞倫斯伯克利國家實驗和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法來穩(wěn)定石墨烯納米帶的邊緣，并直接測量其獨特的磁性。
由Felix Fischer 和Steven Louie(兩人都是伯克利實驗室材料科學(xué)部的科學(xué)家)共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，通過用氮原子取代沿帶狀邊緣的一些碳原子，他們可以在不破壞磁性的情況下謹(jǐn)慎地調(diào)整局部電子結(jié)構(gòu)。這種微妙的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)一步促成了掃描探針顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，以便在原子尺度上測量該材料的局部磁性。
“之前穩(wěn)定鋸齒形邊緣的嘗試不可避免地改變了邊緣本身的電子結(jié)構(gòu)，”Louie說，他也是加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授。他補(bǔ)充說：“這種困境注定了用實驗技術(shù)獲取其磁結(jié)構(gòu)的努力，直到現(xiàn)在還將其探索歸結(jié)為計算模型。”
在理論模型的指導(dǎo)下，F(xiàn)ischer和Louie設(shè)計了一種定制的分子構(gòu)件，其特點是碳和氮原子的排列，可以映射到所需的鋸齒形石墨烯納米帶的精確結(jié)構(gòu)。
為了構(gòu)建納米帶，他們首先將小分子構(gòu)建塊沉積到一個平坦的金屬表面或基底上。接下來，表面被輕輕地加熱，激活每個分子兩端的兩個化學(xué)手柄。這個激活步驟打破了一個化學(xué)鍵，并留下了一個高度反應(yīng)的"粘性末端"。
每當(dāng)兩個"粘性末端"相遇，而被激活的分子在表面散開時，這些分子就會結(jié)合起來形成新的碳-碳鍵。最終，這個過程建立了分子構(gòu)件的一維菊花鏈。最后，第二個加熱步驟重新排列鏈的內(nèi)部鍵，形成具有兩個平行鋸齒形邊緣的石墨烯納米帶。
“這種分子自下而上技術(shù)的獨特優(yōu)勢是，石墨烯帶的任何結(jié)構(gòu)特征，例如氮原子的確切位置，都可以在分子構(gòu)件中進(jìn)行編碼，”Fischer小組的研究生、與Louie小組的研究生趙方舟一起擔(dān)任該論文的共同第一作者的Raymond Blackwell說。
下一個挑戰(zhàn)是測量納米帶的特性。Fischer說：“我們很快意識到，為了不僅測量而且實際量化由自旋極化納米帶邊緣狀態(tài)引起的磁場，我們必須解決兩個額外的問題，”他也是加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)教授。
首先，研究小組需要弄清楚如何將帶狀物的電子結(jié)構(gòu)與它的基底分開。Fischer通過使用掃描隧道顯微鏡的尖端來不可逆地切斷石墨烯納米帶和底層金屬之間的聯(lián)系，解決了這個問題。
第二個挑戰(zhàn)是開發(fā)一種新技術(shù)來直接測量納米級的磁場。幸運的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，納米帶結(jié)構(gòu)中被取代的氮原子實際上起到了原子級傳感器的作用。
對氮原子位置的測量揭示了沿鋸齒形邊緣的局部磁場的特征。
Louie利用國家能源研究科學(xué)計算中心(NERSC)的計算資源進(jìn)行的計算產(chǎn)生了對帶子的自旋極化邊緣狀態(tài)所產(chǎn)生的相互作用的定量預(yù)測。對磁相互作用的精確特征的顯微鏡測量與這些預(yù)測相匹配，并證實了它們的量子特性。
Fischer說：“探索并最終開發(fā)出允許合理設(shè)計這些奇異的磁性邊緣的實驗工具，為碳基自旋電子學(xué)創(chuàng)造了新的機(jī)會，”他指的是依靠電子固有特性的下一代納米電子裝置。未來的工作將涉及探索與定制設(shè)計的鋸齒形石墨烯架構(gòu)中的這些特性相關(guān)的現(xiàn)象。
(原標(biāo)題：研究：石墨烯納米帶的突破可能導(dǎo)致高速、低功耗的納米級數(shù)據(jù)存儲)
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