自从15多年前发现石墨烯(一种只有一个原子厚的薄碳片)以来，这种神奇材料就成为材料科学研究的主力军。从这项工作中，其他研究人员了解到，沿着蜂窝晶格的边缘对石墨烯进行切片会产生具有奇异磁性的一维锯齿状石墨烯条或纳米带。
许多研究人员试图将纳米带不寻常的磁性行为用于碳基自旋电子器件，这些器件通过电子自旋而不是电荷编码数据，从而实现高速、低功耗的数据存储和信息处理技术。但由于锯齿形纳米带具有高反应性，研究人员一直在努力研究如何观察它们的奇异特性并将其导入现实世界的设备中。
现在，正如12月22日出版的《自然》杂志报道的那样，劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的研究人员已经开发出一种方法来稳定石墨烯纳米带的边缘并直接测量其独特的磁性。
由FelixFischer和StevenLouie共同领导的团队是伯克利实验室材料科学部的科学家，他们发现，通过用氮原子取代碳带锯齿形边缘的一些碳原子，他们可以在不破坏局部电子结构的情况下离散地调整局部电子结构。磁性。这种微妙的结构变化进一步促进了扫描探针显微镜技术的发展，用于在原子尺度上测量材料的局部磁性。
“之前稳定锯齿形边缘的尝试不可避免地改变了边缘本身的电子结构，”同时也是加州大学伯克利分校物理学教授的路易说。他补充说：“这种困境注定了通过实验技术访问其磁性结构的努力，并且直到现在将他们的探索降级为计算模型。”
在理论模型的指导下，Fischer和Louie设计了一种定制的分子构建块，其特征是碳和氮原子的排列可以映射到所需的锯齿形石墨烯纳米带的精确结构上。
为了构建纳米带，首先将小分子构建块沉积在平坦的金属表面或基材上。接下来，表面被轻轻加热，激活每个分子两端的两个化学手柄。这一活化步骤破坏了化学键并留下了高反应性的“粘性末端”。
每当两个“粘性末端”相遇时，活性分子就会散布在表面上，分子就会结合形成新的碳-碳键。最终，该过程构建了分子构建块的一维菊花链。最后，第二个加热步骤重新排列链的内部键以形成具有两个平行锯齿形边缘的石墨烯纳米带。
“这种分子自下而上技术的独特优势在于，石墨烯带的任何结构特征，例如氮原子的确切位置，都可以在分子构建块中进行编码，”该研究所的研究生RaymondBlackwell说。Fischer小组和该论文的共同第一作者与Louie小组的研究生赵方舟一起。
下一个挑战是测量纳米带的特性。
“我们很快意识到，为了不仅测量而且实际量化由自旋极化纳米带边缘状态引起的磁场，我们还必须解决两个额外的问题，”费舍尔说，他也是加州大学伯克利分校的化学教授。
首先，该团队需要弄清楚如何将色带的电子结构与其基板分离。Fischer通过使用扫描隧道显微镜尖端不可逆地断开石墨烯纳米带与底层金属之间的联系解决了这个问题。
第二个挑战是开发一种直接测量纳米级磁场的新技术。幸运的是，研究人员发现纳米带结构中被取代的氮原子实际上起到了原子级传感器的作用。
对氮原子位置的测量揭示了沿锯齿形边缘的局部磁场的特征。
Louie使用国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算资源进行的计算得出了对由带的自旋极化边缘状态引起的相互作用的定量预测。磁相互作用精确特征的显微镜测量与这些预测相匹配，并证实了它们的量子特性。
“探索并最终开发允许对这些奇异的磁性边缘进行合理设计的实验工具，为碳基自旋电子学的前所未有的机会打开了大门，”Fischer说，他指的是依赖于电子固有特性的下一代纳米电子设备。未来的工作将涉及在定制设计的锯齿形石墨烯架构中探索与这些特性相关的现象。
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