俄罗斯研究人员提出了一种合成高质量石墨烯纳米带的新方法，这种材料在柔性电子产品、太阳能电池、LED、激光器等领域具有应用潜力。发表在The Journal of Physical Chemistry C 上，化学气相沉积的原始方法与目前在贵金属基材上使用的纳米带自组装相比，以更低的成本提供更高的产量。

硅基电子产品正稳步接近其极限，人们想知道哪种材料可以为我们的设备带来下一个重大推动。石墨烯，即二维碳原子片，浮现在脑海中，但就其所有著名的电子特性而言，它并不具备：与硅不同，石墨烯不能在导电和非导电状态之间切换。硅等半导体的这种定义特性对于制造晶体管至关重要，而晶体管是所有电子产品的基础。

然而，一旦你将石墨烯切成窄带，只要边缘具有正确的几何形状并且没有结构缺陷，它们就会获得半导体特性。这种纳米带已经用于具有相当好的特性的实验晶体管中，材料的弹性意味着可以使器件变得灵活。虽然将 2-D 材料与 3-D 电子器件集成在技术上具有挑战性，但纳米带不能取代硅并没有根本原因。

获得石墨烯纳米带的更实用的方法不是切割石墨烯片或纳米管，而是相反，通过逐个原子地生长材料。这种方法被称为自下而上的合成，与自上而下的对应物不同，它产生结构完美、因此技术上有用的纳米带。目前占主导地位的自下而上合成方法称为自组装，成本高且难以扩大工业生产规模，因此材料科学家正在寻找替代方法。

MIPT 高级研究员 Pavel Fedotov 解释说：“石墨烯纳米带是一种材料，其特性对基础科学感兴趣，并有望在各种未来设备中应用。然而，其合成的标准技术有一些缺点。”纳米碳材料实验室。“维持超高真空和使用金基板的成本非常高，材料的产量相对较低。”

“我和我的同事提出了一种合成原子级完美纳米带的替代方法。它不仅可以在正常真空下工作并且使用更便宜的镍基材，而且由于纳米带是作为多层薄膜而不是单独生产的，因此产量增加。为了将这些薄膜分离成单层带，它们被悬浮起来，”研究人员继续说道。“重要的是，这些都不会影响材料的质量。我们通过获得适当的拉曼散射曲线和观察我们纳米带的光致发光来确认不存在缺陷。”

石墨烯纳米带有多种类型，俄罗斯科学家使用他们原始的化学气相沉积技术制造的石墨烯纳米带具有图中右侧所示的结构。它们有七个原子宽，边缘让人想起扶手椅，因此得名：7-A 石墨烯纳米带。这种类型的纳米带具有对电子产品有价值的半导体特性，不像它的 7-Z 表亲具有锯齿形边缘(如左侧所示)，其行为类似于金属。

合成发生在一个密封的玻璃管中，真空度是标准大气压的百万分之一，这仍然是纳米带自组装通常所需的超高真空的 10,000 倍。所用的初始试剂是一种含有碳、氢和溴的固体物质，称为 DBBA。它被放置在带有镍箔的管子中，在 1,000 摄氏度下进行预退火以去除氧化膜。然后将带有 DBBA 的玻璃管分两个阶段进行几个小时的热处理：首先在 190 C，然后在 380 C。第一次加热导致形成长聚合物分子，在第二阶段，它们转变为纳米带具有原子级精确结构，紧密堆积成厚度达 1,000 纳米的薄膜。

获得薄膜后，研究人员将它们悬浮在溶液中，然后将它们暴露在超声波下，将多层“堆叠”分解成一个原子厚的碳纳米带。所用溶剂为氯苯和甲苯。先前的实验表明，这些化学物质最适合以稳定的方式悬浮纳米带，防止聚集回堆叠和结构缺陷的出现。纳米带质量控制也通过光学方法在悬浮液中进行：拉曼散射和光致发光数据的分析证实该材料没有明显缺陷。

由于用于制造无缺陷多层 7-A 碳纳米带的新合成技术相对便宜且易于扩大规模，因此将这种材料引入电子和光学设备的大规模生产中是重要的一步，最终将大大超越那些今天存在。

“经验表明，一旦发现一种新的碳材料，就意味着新的性能和新的应用。石墨烯纳米带也不例外，”MIPT纳米碳材料实验室负责人 Elena Obraztsova 回忆道。“最初，纳米带是在单壁碳纳米管内合成的，用于限制碳带宽度。正是在这些嵌入的纳米带上，最初证明了发光，其参数随纳米管几何形状而变化。”

“我们的新方法——自下而上的化学气相沉积——能够在相当温和的条件下大量生产超窄石墨烯带：中等真空、镍基材。所得材料显示出明亮的激子光致发光。它有望用于非线性领域的许多应用光学，这是我们将要追求的，”研究人员补充道。