純石墨烯堪稱世上電阻率最小的材料，但這種超好的導電性也限制了它在電子元件（如場效應晶體管）中的應用，該領域中的理想材料是半導體，本身不導電，除非它的電子被外界能量如熱、光或外部電壓激發。石墨烯能否變成半導體呢？答案當然是肯定的。瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（EMPA）的RomanFasel與德國馬普高分子研究所的KlausMüllen和馮新亮（XinliangFeng）等人在2010年發現，通過設計石墨烯的納米結構，使之變形為石墨烯納米帶（graphenenanoribbons，GNR）之后，這種材料就具有了類似半導體材料的性質（Nature466,470-473）。最近，他們再次做出突破，首次合成具有完美鋸齒形邊緣的石墨烯納米帶（ZGNR），讓科學家們可以賦予石墨烯納米帶更多不同的性質。（On-surfacesynthesisofgraphenenanoribbonswithzigzagedgetopology.Nature,DOI:10.1038/nature17151）

鋸齒形邊緣GNR以及制備過程中用到的先導分子示意圖。電子在鋸齒形邊緣兩側呈現不同的自旋方向，底部（橙色）向上旋轉，頂部（藍色）向下旋轉。為了形成特殊的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶，需要先選擇合適的前體分子。有機合成還能容忍反應過程中存在副產物，石墨烯納米帶的表面合成則要求一切都要設計好，只能得到唯一產物。有些前體分子會生成凹凸形邊緣（下圖a），而不會乖乖排列成鋸齒狀。科學家們在計算機模擬和實驗之間不斷的重復，最終設計出最佳路線，利用表面輔助聚合和專門設計的前體單體分子，得到了具有原子精度的鋸齒形邊緣藍圖，并最終合成鋸齒形邊緣石墨烯納米帶。

為了檢查這種邊緣能否精確到原子水平，研究人員使用原子力顯微鏡（AFM）對其原子結構進行觀察。另外，他們還使用掃描隧道譜（STS）來表征鋸齒邊緣的電子狀態。使用不同的前體單體，科學家們還能對鋸齒形邊緣石墨烯納米帶的邊緣進行修飾，得到不同的納米結構。

有趣的電子內旋

鋸齒形邊緣石墨烯納米帶的特殊之處當然不只是外形。其中，一條邊緣上的電子都以相同方向自旋，這被稱為鐵磁耦合（ferro-magneticcoupling）；同時，所謂的反鐵磁耦合（antiferromagneticcoupling）使得另一邊緣的所有電子以相反的方向自旋。因此，鋸齒形邊緣石墨烯納米帶呈現出一條邊緣所有電子處于“自旋向上”的狀態，而另一條邊緣的所有電子處于“自旋向下”的狀態。這樣，兩個獨立具方向“背道而馳”的自旋通道出現在帶緣，就像有兩條分離車道的公路。通過在這些邊緣集成結構缺陷，或由外部提供電、磁或光信號，自旋電子器件（spintronicdevices）就能被設計出來，比如納米級且非常節能的晶體管。

如果這種技術能夠獲得實際運用，可以想象現在以硅為基礎的電子器件體積和能耗都會成數量級的縮小，這會給我們的未來帶來什么呢？