中科院固体所准一维石墨烯纳米结构理论研究取得新成果

      近期，中科院合肥物质科学研究院固体所计算材料科学研究室曾雉研究员带领的课题组在氢化石墨烯（包括石墨烷纳米条纹GNS））的电子结构（能带结构、磁性等）和动力学稳定性研究上取得了新成果。他们成功地模拟和解释了一些实验现象，提出了原创性的器件设计制备方案。

　　自从2004年石墨烯（单原子层石墨）被发现以来，科学界和工业界对其在光学器件、电子器件、生物技术以及高分子复合材料方面的应用前景一直非常看好。石墨烯晶体管则是这些应用中很重要的角色之一，目前广泛采用石墨烯纳米带来实现场效应管的功能。然而，在等离子刻蚀的实验制备过程中，石墨烯纳米带的边缘往往因为高能等离子的轰击而变得非常不平整，而且石墨烯纳米带边缘的悬挂键化学活性非常高，外来基团在边缘的吸附很难控制和预测。另外，与衬底的相互作用也会带来许多的负面影响。因此，用石墨烯纳米带来实现石墨烯晶体管的实际应用还有许多困难需要克服。

　　曾雉研究员带领的课题组在氢化石墨烯的电子结构和动力学稳定性研究上获得了创新性成果，成功地模拟和解释了一些实验现象，提出了原创性的器件设计制备方案。博士生黄良锋等通过系统的密度泛函数值计算和简单理论模型的结合，阐述了量子限制效应、边缘态内部电子相互作用以及边缘态之间电子相互作用对石墨烷纳米条纹（石墨烯纳米带）的能隙和磁性的各自贡献。他们的一些预测与近期一些实验测量的结果一致。通过对石墨烯/石墨烷界面上氢吸附原子动力学稳定性的模拟，他们指出，可以在石墨烷中刻蚀出边缘非常平整的石墨烷纳米条纹，并且认为这样的石墨烷纳米条纹在常规条件下非常稳定。这也是目前理论上从动力学稳定性方面首先模拟/解释已有实验测量的工作。近来实验上所制备的此类纳米器件边缘还不平整，该工作指出，要提高所制备纳米器件的质量，首要任务是增加氢的覆盖率。在其理论模拟的基础上，他们提出了用扫描探针集成地刻蚀石墨烷纳米条纹的制备方案，预测可以在衬底支撑的石墨烷上用电子束刻蚀出高性能、高稳定性和高集成度的石墨烷纳米条纹电子器件。

　　上述研究工作不仅对深入理解石墨烯的电子性质有重要贡献，而且对石墨烯晶体管的进一步研究和实际应用有重要的指导意义。相关研究结果发表在《物理前沿》上（Frontiers of Physics），并且被《物理前沿》选为封底文章进行报道。

　　此项研究工作受到国家自然科学基金、973项目和中科院知识创新方向性项目的资助。本工作的部分计算任务在中科院合肥超级计算机中心完成。

来源：中国科学院