石墨烯由于其獨(dú)特的狄拉克（Dirac）費(fèi)米子、極高的載流子遷移率以及超強(qiáng)的力學(xué)性能，已成為凝聚態(tài)物理及材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。邊緣結(jié)構(gòu)在石墨烯納米結(jié)構(gòu)中扮演很重要的角色。例如，理論預(yù)言：具有鋸齒形（zigzag）邊緣結(jié)構(gòu)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。以前石墨烯納米結(jié)構(gòu)的制備方法，如碳納米管裁剪法，納米線掩模刻蝕法以及光刻法等，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(jié)構(gòu)。如何可控制備確定邊緣的石墨烯納米結(jié)構(gòu)是目前石墨烯研究領(lǐng)域一個極具挑戰(zhàn)的課題。
中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）的納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室張廣宇研究組自2009年成立以來，一直把石墨烯納米結(jié)構(gòu)的可控加工及其輸運(yùn)性質(zhì)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(xué)王恩哥院士合作，利用石墨烯的各向異性刻蝕效應(yīng)【Advanced Materials 22, 4014, (2010)】與傳統(tǒng)微加工技術(shù)結(jié)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(jié)構(gòu)的石墨烯納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。除了可以控制石墨烯邊緣的鋸齒形（zigzag）結(jié)構(gòu)之外，這種加工技術(shù)的優(yōu)勢在于可以精確控制石墨烯納米結(jié)構(gòu)的尺寸，加工的最小線寬可以達(dá)到5納米以下；更重要的是，這種技術(shù)可以加工一致性、周期性的石墨烯納米結(jié)構(gòu)，在石墨烯納米結(jié)構(gòu)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(shù)所不能達(dá)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(yùn)性質(zhì)及拉曼散射方面進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在這種鋸齒形（zigzag）邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶中，載流子在其邊緣散射很弱，從而導(dǎo)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(jié)構(gòu)無序的納米條帶，載流子遷移率高出一個量級。這種高質(zhì)量的石墨烯納米結(jié)構(gòu)是作為高速電子學(xué)器件的理想對象。另外，和以往無需邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米條帶的輸運(yùn)特性不同，他們在實(shí)驗(yàn)上首次看到的由于鋸齒形（zigzag）邊緣態(tài)導(dǎo)致的半金屬性輸運(yùn)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(xiàn)出與大片石墨烯類似的電輸運(yùn)性質(zhì)，在室溫下沒有可觀測的輸運(yùn)帶隙。
這些試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了以前的理論預(yù)言，表明zigzag石墨烯納米條帶確實(shí)是半金屬性的，澄清了邊緣無序態(tài)會導(dǎo)致的輸運(yùn)能隙的打開這一現(xiàn)象。工作發(fā)表在【Advanced Materials 23，3061-3065 （2011）】，并在Materials Views上亮點(diǎn)介紹。該工作得到了審稿人和編輯的高度評價，被認(rèn)為是“非常重要的一個工作”，“打開了石墨烯研究領(lǐng)域的一個新窗口”。
這項(xiàng)工作得到了中科院“百人計(jì)劃”、國家自然科學(xué)基金和“973”項(xiàng)目的支持。
