一个国际多机构科学家团队使用原子级精确方法在二氧化钛表面合成了石墨烯纳米带(超薄碳原子带)，该方法消除了量子信息科学所需的定制设计碳纳米结构的障碍。

石墨烯由单原子厚的碳层组成，具有超轻、导电和极强的机械特性。由于其高度可调的电子、光学和传输特性，这种广泛研究的材料有望改变电子和信息科学。

当制成纳米带时，石墨烯可以应用于纳米器件;然而，使用当前最先进的“自上而下”合成方法——将石墨烯片切割成原子窄的条带——缺乏原子级精度，这阻碍了石墨烯的实际应用。

研究人员开发了一种“自下而上”的方法——直接在原子水平上构建石墨烯纳米带，使其可用于特定应用，这是在纳米相材料科学中心 (CNMS) 构思和实现的，位于能源部橡树岭国家实验室。

随着石墨烯的片段变得越来越小，这种绝对精度方法有助于保留石墨烯单层的宝贵特性。仅一两个原子宽度差异就可以显着改变系统的特性，将半导体带变成金属带。该团队的结果在《科学》中有所描述。

ORNL 的 Marek Kolmer、CNMS 扫描隧道显微镜组的 An-Ping Li 和 Wonhee Ko 与来自私营研究公司 Espeem 和几个欧洲机构的研究人员合作开展了该项目：弗里德里希亚历山大大学埃尔兰根-纽伦堡大学、雅盖隆大学和马丁路德哈雷-维滕贝格大学。

ORNL 在扫描隧道显微镜方面独一无二的专业知识对该团队的成功至关重要，无论是在操作前体材料还是验证结果方面。

“这些显微镜可以让你在原子尺度上直接成像和操纵物质，”博士后研究员、论文的第一作者 Kolmer 说。“针尖非常细，基本上只有单个原子的大小。显微镜逐行移动，不断测量针与表面之间的相互作用，并绘制出原子级精确的表面结构图。”

在过去的石墨烯纳米带实验中，该材料是在金属基材上合成的，这不可避免地抑制了纳米带的电子特性。

“让这些带子的电子特性按设计工作是整个故事。从应用的角度来看，使用金属基板是没有用的，因为它屏蔽了特性，”Kolmer 说。“这是该领域的一个巨大挑战——我们如何有效地将分子网络解耦以转移到晶体管上?”

当前的去耦方法包括将系统从超高真空条件下移除，并使其通过多步湿化学工艺，这需要蚀刻掉金属基板。这个过程与创建系统时使用的谨慎、干净的精度相矛盾。

为了找到一种适用于非金属基材的工艺，Kolmer 开始对氧化物表面进行试验，模仿在金属上使用的策略。最终，他求助于一群专门研究氟芳烃化学的欧洲化学家，并开始着手设计一种化学前体，这种前体可以直接在金红石二氧化钛的表面合成。

“表面合成使我们能够以非常高的精度制造材料，为了实现这一目标，我们从分子前体开始，”领导 CNMS 团队的论文的资深作者 Li 说。“我们获得某些特性所需的反应基本上被编程到前体中。我们知道反应发生的温度，通过调整温度，我们可以控制反应的顺序。”

“表面合成的另一个优势是可以用作前体的候选材料的广泛库，允许高度的可编程性，”李补充说。

精确应用化学物质来解耦系统也有助于维持开壳结构，使研究人员能够在原子级访问以构建和研究具有独特量子特性的分子。“发现这些石墨烯带在它们的末端耦合了磁态，也称为量子自旋态，这是特别有意义的，”李说。“这些状态为我们提供了一个研究磁相互作用的平台，希望为量子信息科学的应用创造量子比特。” 由于对碳基分子材料中的磁相互作用几乎没有干扰，因此该方法允许从材料内部编程持久的磁态。

他们的方法创建了一种与衬底分离的高精度带，这对于自旋电子学和量子信息科学应用来说是理想的。由此产生的系统非常适合进一步探索和构建，可能作为纳米级晶体管，因为它具有宽带隙，跨越传递开/关信号所需的电子状态之间的空间。