硅基电子器件正在接近极限,那么后面哪种材料能接替硅继续推动电子器件的发展呢?也许很多人会说是石墨烯,这种由碳原子组成的二维片状材料,尽管其电子性能广为人知,但石墨烯不具备在导电和非导电状态之间转换的能力,这种能力对于创造晶体管至关重要,而晶体管是所有电子学的基础。不过,一旦将石墨烯切割成窄带,就会获得半导体特性,前提是边缘具有正确的几何形状并且没有结构缺陷。这样的纳米带已经被用于实验性晶体管中,并获得了相当好的特性。

获得石墨烯纳米带的更实用的方法不是通过切割获得,而是通过逐个原子生长材料,这种方法被称为自下而上的合成法,与自上而下的对应方法不同,它可以得到结构完美的纳米带。目前主流的自下而上合成方法,即所谓的自组装,成本高昂,难以规模化、工业化生产,因此材料科学家正在寻求替代方法。

俄罗斯莫斯科物理技术学院的研究人员提出了一种合成高质量石墨烯纳米带的新方法。发表在《The Journal of Physical Chemistry C》上,与目前使用的贵金属基底上的纳米带自组装相比,独创的化学气相沉积方法,以较低的成本提供了更高的产量。

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石墨烯纳米带有不同的类型,俄罗斯科学家利用其独创的化学气相沉积技术制造出的石墨烯纳米带有7个原子宽(上图右),边缘象扶手椅一样,因此被命名为:7-A石墨烯纳米带。这种类型的纳米带具有对电子学有价值的半导体特性,不像它的7-Z表亲,边缘呈之字形(上图左),表现得像金属。

合成是在密闭的玻璃管中进行的,真空度为标准大气压的百万分之一,这比通常纳米带自组装所需的超高真空度仍要高出10000倍。最初使用的试剂是一种含有碳、氢、溴的固体物质,称为DBBA。它被放置在管中的镍箔,预退火在1000摄氏度,以去除氧化膜。然后将装有DBBA的玻璃管分两个阶段进行数小时的热处理:先在190摄氏度下加热,再在380摄氏度下加热,第一次加热会形成长长的聚合物分子,在第二阶段,它们会转变为具有原子精确结构的纳米带,密密麻麻地形成厚度达1000纳米的薄膜。

获得薄膜后,研究人员将其悬浮在溶液中,并将其暴露在超声波下,将多层 "堆栈 "分解成单原子厚的碳纳米带。使用的溶剂是氯苯和甲苯。此前的实验表明,这些化学品是稳定悬浮纳米带的最佳选择,可以防止纳米带重新聚集成堆栈,防止出现结构缺陷。在悬浮中,还通过光学方法对纳米带进行了质量控制。拉曼散射和光致发光数据分析证实,该材料没有明显的缺陷。

这种制造无缺陷多层7-A碳纳米带的新合成技术相对便宜,而且易于规模化生产。

论文标题为《Excitonic Photoluminescence of Ultra-Narrow 7-Armchair Graphene Nanoribbons Grown by a New "Bottom-Up" Approach on a Ni Substrate under Low Vacuum》。