中國儲能網訊：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性能，已成為凝聚態(tài)物理及材料科學等領域的研究熱點。邊緣結構在石墨烯納米結構中扮演很重要的角色。例如，理論預言：具有鋸齒形（zigzag）邊緣結構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。以前石墨烯納米結構的制備方法，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構。如何可控的制備確定邊緣的石墨烯納米結構是目前石墨烯研究領域一個極具挑戰(zhàn)的課題。
中國科學院物理研究所/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構的可控加工及其輸運性質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王恩哥院士合作，利用石墨烯的各向異性刻蝕效應【Advanced Materials 22, 4014, (2010)】與傳統(tǒng)微加工技術結合起來，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）邊緣結構的石墨烯納米結構的技術。除了可以控制石墨烯邊緣的鋸齒形（zigzag）結構之外，這種加工技術的優(yōu)勢在于可以精確控制石墨烯納米結構的尺寸，加工的最小線寬可以達到5納米以下；更重要的是，這種技術可以加工一致性、周期性的石墨烯納米結構，在石墨烯納米結構的大規(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，他們對其輸運性質及拉曼散射方面進行了研究。實驗結果表明：在這種鋸齒形（zigzag）邊緣結構的石墨烯納米條帶中，載流子在其邊緣散射很弱，從而導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構無序的納米條帶，載流子遷移率高出一個量級。這種高質量的石墨烯納米結構是作為高速電子學器件的理想對象。另外，和以往無需邊緣結構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出與大片石墨烯類似的電輸運性質，在室溫下沒有可觀測的輸運帶隙。這些試驗結果驗證了以前的理論預言，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)會導致的輸運能隙的打開這一現象。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構的加工示意圖。該過程包含兩個關鍵步驟：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及電學表征。Raman表征顯示這種納米帶的G峰劈裂為兩個峰。電學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，呈現出較大的電導率（在寬度為5nm時，比其他方法制備的納米帶電導率高一個數量級）。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。
