物理所锯齿形边缘石墨烯纳米周期性结构研究取得系列进展

石墨烯由于其独特的狄拉克（Dirac）费米子、极高的载流子迁移率以及超强的力学性能，已成为凝聚态物理及材料科学等领域的研究热点。边缘结构在石墨烯纳米结构中扮演很重要的角色。例如，理论预言：具有锯齿形（zigzag）边缘结构的石墨烯纳米带具有半金属特性，三角形zigzag石墨烯纳米岛具有铁磁性等。以前石墨烯纳米结构的制备方法，如碳纳米管裁剪法，纳米线掩模刻蚀法以及光刻法等，都不具备控制加工石墨烯边缘的能力，得到的都是无序的边缘结构。如何可控制备确定边缘的石墨烯纳米结构是目前石墨烯研究领域一个极具挑战的课题。
　　中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）的纳米物理与器件实验室张广宇研究组自2009年成立以来，一直把石墨烯纳米结构的可控加工及其输运性质的研究作为一个重要方向。最近，该组张广宇研究员、时东霞研究员、博士生史志文等与北京大学王恩哥院士合作，利用石墨烯的各向异性刻蚀效应【Advanced Materials 22, 4014, (2010)】与传统微加工技术结合起来，发展出了一种精确可控地制备具有原子级平整的锯齿形（zigzag）边缘结构的石墨烯纳米结构的技术。除了可以控制石墨烯边缘的锯齿形（zigzag）结构之外，这种加工技术的优势在于可以精确控制石墨烯纳米结构的尺寸，加工的最小线宽可以达到5纳米以下；更重要的是，这种技术可以加工一致性、周期性的石墨烯纳米结构，在石墨烯纳米结构的大规模集成、石墨烯二维超晶格的制备以及石墨烯的器件集成等方面具有以往技术所不能达到的优势。
　　以这种方法制备出的十纳米以下宽度石墨烯纳米带为基本研究对象，他们对其输运性质及拉曼散射方面进行了研究。实验结果表明：在这种锯齿形（zigzag）边缘结构的石墨烯纳米条带中，载流子在其边缘散射很弱，从而导致其具有极高的载流子迁移率。相对于其他方法制备的同等宽度的边缘结构无序的纳米条带，载流子迁移率高出一个量级。这种高质量的石墨烯纳米结构是作为高速电子学器件的理想对象。另外，和以往无需边缘结构的石墨烯纳米条带的输运特性不同，他们在实验上首次看到的由于锯齿形（zigzag）边缘态导致的半金属性输运行为。这种具有锯齿形（zigzag）边缘的十纳米以下宽度石墨烯纳米带表现出与大片石墨烯类似的电输运性质，在室温下没有可观测的输运带隙。
　　这些试验结果验证了以前的理论预言，表明zigzag石墨烯纳米条带确实是半金属性的，澄清了边缘无序态会导致的输运能隙的打开这一现象。工作发表在【Advanced Materials 23，3061-3065 （2011）】，并在Materials Views上亮点介绍。该工作得到了审稿人和编辑的高度评价，被认为是“非常重要的一个工作”，“打开了石墨烯研究领域的一个新窗口”。