自從15年前科學家們發現石墨烯以來，這種神奇的材料就成了材料科學研究的主力。根據一項新研究，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家們瞭解到，沿著石墨烯的蜂窩狀晶格邊緣切開石墨烯，可以產生具有奇異磁性的一維鋸齒狀石墨烯條或奈米帶。
許多研究人員試圖將奈米帶不尋常的磁性行為用於碳基自旋電子學裝置，透過電子自旋而不是電荷來編碼資料，從而實現高速、低功耗的資料儲存和資訊處理技術。但是，由於鋸齒形奈米帶具有高度的活性，研究人員一直在努力解決如何觀察並將其奇異的特性引入現實世界的裝置中。
現在，正如《自然》雜誌所報道的，勞倫斯伯克利國家實驗和加州大學伯克利分校的研究人員已經開發出一種方法來穩定石墨烯奈米帶的邊緣，並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部的科學家）共同領導的團隊發現，透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慎地調整區域性電子結構。這種微妙的結構變化進一步促成了掃描探針顯微鏡技術的發展，以便在原子尺度上測量該材料的區域性磁性。
“之前穩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構，”Louie說，他也是加州大學伯克利分校的物理學教授。他補充說：“這種困境註定了用實驗技術獲取其磁結構的努力，直到現在還將其探索歸結為計算模型。”
在理論模型的指導下，Fischer和Louie設計了一種定製的分子構件，其特點是碳和氮原子的排列，可以對映到所需的鋸齒形石墨烯奈米帶的精確結構。
為了構建奈米帶，他們首先將小分子構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，啟用每個分子兩端的兩個化學手柄。這個啟用步驟打破了一個化學鍵，並留下了一個高度反應的"粘性末端"。
每當兩個"粘性末端"相遇，而被啟用的分子在表面散開時，這些分子就會結合起來形成新的碳-碳鍵。最終，這個過程建立了分子構件的一維菊花鏈。最後，第二個加熱步驟重新排列鏈的內部鍵，形成具有兩個平行鋸齒形邊緣的石墨烯奈米帶。
“這種分子自下而上技術的獨特優勢是，石墨烯帶的任何結構特徵，例如氮原子的確切位置，都可以在分子構件中進行編碼，”Fischer小組的研究生、與Louie小組的研究生趙方舟一起擔任該論文的共同第一作者的Raymond Blackwell說。
下一個挑戰是測量奈米帶的特性。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奈米帶邊緣狀態引起的磁場，我們必須解決兩個額外的問題，”他也是加州大學伯克利分校的化學教授。
首先，研究小組需要弄清楚如何將帶狀物的電子結構與它的基底分開。Fischer透過使用掃描隧道顯微鏡的尖端來不可逆地切斷石墨烯奈米帶和底層金屬之間的聯絡，解決了這個問題。
第二個挑戰是開發一種新技術來直接測量奈米級的磁場。幸運的是，研究人員發現，奈米帶結構中被取代的氮原子實際上起到了原子級感測器的作用。
對氮原子位置的測量揭示了沿鋸齒形邊緣的區域性磁場的特徵。
Louie利用國家能源研究科學計算中心（NERSC）的計算資源進行的計算產生了對帶子的自旋極化邊緣狀態所產生的相互作用的定量預測。對磁相互作用的精確特徵的顯微鏡測量與這些預測相匹配，並證實了它們的量子特性。
Fischer說：“探索並最終開發出允許合理設計這些奇異的磁性邊緣的實驗工具，為碳基自旋電子學創造了前所未有的機會，”他指的是依靠電子固有特性的下一代奈米電子裝置。未來的工作將涉及探索與定製設計的鋸齒形石墨烯架構中的這些特性相關的現象。
