导读

最近，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA )的化学家们开出一种新方法制造出石墨烯纳米带。科学家们相信这种新一代结构未来将应用于电子产品，助力电子器件小型化。

背景

硅，是一种非金属元素，也是一种半导体材料，它广泛应用于制作半导体器件和集成电路。它外表光泽而易碎，是构成现代电子器件的关键成分之一。但是随着电子器件变得越来越小，采用硅制造出微型电子元器件变得更具挑战性，且价格昂贵。

拿硅基晶体管来说，7纳米堪称物理极限。一旦晶体管尺寸低于7纳米，电子的行为将受限于量子不确定性，晶体管中电子很容易产生隧穿效应，晶体管变得不再可靠，芯片制造面临巨大挑战。

为了面对这个挑战，让摩尔定律可以继续保持生机与活力，产业界和科学界都在开始寻找新材料，目标就是取代硅，生产出尺寸更小、性能更佳的电子元器件。据笔者之前介绍，这些新材料包括:纳米碳管和二硫化钼、黑磷、石墨烯、二硒化钨等等。

(图片来源:Tatiana Shepeleva/Shutterstock)

石墨烯是一种导电材料，但是要发挥其半导体功能，还需要将它变成纳米带状，因为这样才会具有足够大的能量或者禁带宽度，从而成为纳米晶体管的关键组件。

(图片来源:Empa)

创新

与上面介绍的研究案例相似，最近美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA )的化学家们又开发了一种新方法，制造出石墨烯纳米带。科学家们相信这种下一代结构，未来将应用于电子产品。

(图片来源: Yves Rubin)

这项研究在线发表于《美国化学会杂志》(American Chemical Society)。

技术

纳米带是非常狭窄的石墨烯带，它只有几个碳原子的宽度。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校化学教授、该研究的首作者 Yves Rubin 表示，纳米带非常有用，因为它们具有能带隙(bandgap)，这意味着电子必须经过“推动”才能穿越它们，产生电流。

他表示，在没有能带隙的材料中，电子会不受阻碍地通过，所以这些材料无法用于创造出半导体逻辑电路。

Rubin 及其研究团队，在600度高温下，采用基于紫外线的简单反应，一个分子接着一个分子地制造出石墨烯纳米带。

加利福尼亚大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员 Rubin 表示，其他人无法实现这项技术。但是如果有人想要在工业规模构建这些分子，这项技术则显得非常重要。

这项工艺是在现有方法的基础上进行改善，创造出石墨烯纳米带。其中一方案是剪开的石墨烯管，即碳纳米管。Rubin 表示，这种特殊方法并不精准，制造出的纳米带尺寸不一致，然而纳米带的能带隙作用主要取决于它的宽度。

为了创造出合适的纳米带，科学家开始生长四种不同的无色分子晶体。晶体在完美的方位上锁住分子，并发生反应。然后，团队使用光线将分子缝合成聚合体，而聚合体是由重复的碳原子和氢原子单元组成的大结构。

然后，科学家们将具有光泽的深蓝色聚合物放进一个仅含有氩气的烤箱中，加热至600摄氏度。这个热量为聚合物形成最终的连接提供了必要的能量。这种连接让纳米带形成最终的形状:有碳原子组成的六边形环，在每个碳原子边上有氢原子。

Rubin 表示，他们从根本上碳化这些聚合物，但是他们是以一种可控方式进行操作的。

这个过程大概进行一个小时，生产出只有8个碳原子宽度、几千个原子长度的石墨烯纳米带。科学家们验证了纳米带的分子结构，该纳米带的颜色是深黑色并且具有光泽，并且向它们照射不同波长的光线。

Rubin 表示，我们观察了吸收的光线波长。它揭示出了该结构的鲜明特征和纳米带的组成。

研究人员为该工艺申请了一个专利。Rubin 表示，他们团队正在研究如何更好地控制纳米带，挑战在于它们倾向于粘在一起。现在，它们是纤维束，下一步将能够一个一个地控制每个纳米带。

价值

这项研究代表了石墨烯纳米带研究和制造工艺的最新进展，同时也代表了石墨烯半导体特性的研究又上了一个新台阶。未来，石墨烯纳米带有望应用于纳米电子领域和新一代电子产品。