中國儲能網(wǎng)訊：石墨烯由于其獨特的狄拉克（Dirac）費米子、極高的載流子遷移率以及超強的力學(xué)性能，已成為凝聚態(tài)物理及材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點。邊緣結(jié)構(gòu)在石墨烯納米結(jié)構(gòu)中扮演很重要的角色。例如，理論預(yù)言：具有鋸齒形（zigzag）邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶具有半金屬特性，三角形zigzag石墨烯納米島具有鐵磁性等等。以前石墨烯納米結(jié)構(gòu)的制備方法，如碳納米管裁剪法，納米線掩?？涛g法以及光刻法等，都不具備控制加工石墨烯邊緣的能力，得到的都是無序的邊緣結(jié)構(gòu)。如何可控的制備確定邊緣的石墨烯納米結(jié)構(gòu)是目前石墨烯研究領(lǐng)域一個極具挑戰(zhàn)的課題。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）的納米物理與器件實驗室的N07課題組自2009年成立以來，一直把石墨烯納米結(jié)構(gòu)的可控加工及其輸運性質(zhì)的研究作為一個重要方向。最近，該組張廣宇研究員、時東霞研究員、博士生史志文等與北京大學(xué)王恩哥院士合作，利用石墨烯的各向異性刻蝕效應(yīng)【Advanced Materials 22, 4014, (2010)】與傳統(tǒng)微加工技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展出了一種精確可控地制備具有原子級平整的鋸齒形（zigzag）邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。除了可以控制石墨烯邊緣的鋸齒形（zigzag）結(jié)構(gòu)之外，這種加工技術(shù)的優(yōu)勢在于可以精確控制石墨烯納米結(jié)構(gòu)的尺寸，加工的最小線寬可以達到5納米以下；更重要的是，這種技術(shù)可以加工一致性、周期性的石墨烯納米結(jié)構(gòu)，在石墨烯納米結(jié)構(gòu)的大規(guī)模集成、石墨烯二維超晶格的制備、以及石墨烯的器件集成等方面具有以往技術(shù)所不能達到的優(yōu)勢。
以這種方法制備出的十納米以下寬度石墨烯納米帶為基本研究對象，他們對其輸運性質(zhì)及拉曼散射方面進行了研究。實驗結(jié)果表明：在這種鋸齒形（zigzag）邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶中，載流子在其邊緣散射很弱，從而導(dǎo)致其具有極高的載流子遷移率。相對于其他方法制備的同等寬度的邊緣結(jié)構(gòu)無序的納米條帶，載流子遷移率高出一個量級。這種高質(zhì)量的石墨烯納米結(jié)構(gòu)是作為高速電子學(xué)器件的理想對象。另外，和以往無需邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶的輸運特性不同，他們在實驗上首次看到的由于鋸齒形（zigzag）邊緣態(tài)導(dǎo)致的半金屬性輸運行為。這種具有鋸齒形（zigzag）邊緣的十納米以下寬度石墨烯納米帶表現(xiàn)出與大片石墨烯類似的電輸運性質(zhì)，在室溫下沒有可觀測的輸運帶隙。這些試驗結(jié)果驗證了以前的理論預(yù)言，表明zigzag石墨烯納米條帶確實是半金屬性的，澄清了邊緣無序態(tài)會導(dǎo)致的輸運能隙的打開這一現(xiàn)象。工作發(fā)表在【Advanced Materials 23，3061-3065 （2011）】，并在Materials Views上亮點介紹。該工作得到了審稿人和編輯的高度評價，被認為是“非常重要的一個工作”，“打開了石墨烯研究領(lǐng)域的一個新窗口”。
這項工作得到了中科院“百人計劃”、國家自然科學(xué)基金和“973”項目的支持。
文章連接：
1、“Patterning Graphene with Zigzag Edges via Self-Aligned Anisotropic Etching”
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201100633/pdf
2、“An Anisotropic Etching Effect in the Graphene Basal Plane”
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201000618/pdf
圖1： 具有zigzag邊緣的石墨烯納米結(jié)構(gòu)的加工示意圖。該過程包含兩個關(guān)鍵步驟：人工缺陷制備和氫等離子體刻蝕。
圖2：氫等離子刻蝕前（A）和刻蝕后（B）的對比。經(jīng)氫等離子體刻蝕，圓形小孔逐漸長大成六邊形的孔洞，這些六邊形的每個邊都沿zigzag方向。透射電子顯微鏡顯示這些邊的粗糙度小于1nm。
圖3：用這種方法加工出的各種具有zigzag邊緣的石墨烯納米圖案。其中（H）顯示的是一個寬度在10nm以下的zigzag石墨烯納米帶。
圖4：zigzag石墨烯納米帶的Raman及電學(xué)表征。Raman表征顯示這種納米帶的G峰劈裂為兩個峰。電學(xué)測量顯示這種具有原子級平整的zigzag石墨烯納米帶，由于邊緣散射的減小，呈現(xiàn)出較大的電導(dǎo)率（在寬度為5nm時，比其他方法制備的納米帶電導(dǎo)率高一個數(shù)量級）。另外，zigzag石墨烯納米帶在寬度下降到十納米以下仍然沒有觀測到帶隙的出現(xiàn)。
