研究背景

石墨烯我們都很熟悉，那石墨烯納米帶（GNRs）呢？按定義，石墨烯納米帶是指大概寬度小于50 nm的石墨烯條帶。其理論模型最初于1996年提出。為了要賦予單層石墨烯某種電性，會按照特定樣式切割石墨烯，形成石墨烯納米帶（Graphene nanoribbon）。切開的邊緣形狀可以分為鋸齒形和扶手椅形。采用緊束縛近似模型做出的計算，預測鋸齒形具有金屬鍵性質，又預測扶手椅形具有金屬鍵性質或半導體性質；到底是哪種性質，要依寬度而定。可是，近來根據密度泛函理論計算得到的結果，顯示出扶手椅形具有半導體性質，其能隙與納米帶帶寬成反比。實驗結果確實地展示出，隨著納米帶帶寬減小，能隙會增大。但是，直至2009年， 尚沒有任何測量能隙的實驗試著辨識精確邊緣結構。通過施加外磁場，石墨烯奈米帶的光學響應也可以調整至太赫茲頻域。

石墨烯納米帶的結構具有高電導率、高熱導率、低噪聲，這些優良性能促使石墨烯納米帶成為集成電路互連材料的另一種選擇，有可能替代銅金屬。有些研究者試著用石墨烯納米帶來制成量子點，他們在納米帶的某些特定位置改變寬度，形成量子禁閉（quantum confinement）。在石墨烯納米帶中設計和制造堅固金屬態具有挑戰性，因為當石墨烯在納米尺度上進行圖形化時，橫向量子約束和多電子相互作用會導致電子帶隙。自底向上合成的最新進展使原子精確的GNR的設計和表征成為可能，但實現GNR金屬性的策略一直是難以捉摸的。

研究成果

日前，加州大學伯克利分校Daniel J. Rizzo等研究人員展示了一種設計和制備金屬GNRs的通用方法，使用原子級精確的工具，自下而上的合成。這是通過嵌入局部零模態對稱超晶格到半導體GNR中。相鄰零模態之間電子的量子力學跳變產生了基本緊束縛電子結構模型所預測的金屬帶。相關研究工作以“Inducing metallicity in graphene nanoribbons via zero-mode superlattices”為題今天（9月25日）發表在國際頂級期刊《Science》上。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1597

利用掃描隧穿光譜學（STS）和第一性原理理論模型，研究發現零模只局限于兩個亞晶格（即亞晶格極化態）中的一個石墨烯，從而產生位于磁不穩定性邊界的窄帶金屬相。然而，這些GNR的金屬帶寬可以通過有意地打破GNR的二部分對稱性而增加20倍以上，從而產生強大的金屬性。這是通過誘導每個GNR單位細胞僅形成兩個新的碳-碳鍵來實現的。這種電子結構的顯著變化是由表面上微小的化學鍵重排引起的，這是由于亞晶格極化的損失而導致的，而亞晶格極化伴隨著二部份對稱的破壞。這一概念為控制GNR金屬性和將GNR電子結構調整為不同的物理狀態提供了有用的工具。

圖1 鋸齒狀GNR的自下而上方法合成圖

圖2 sGNR的電子結構圖

圖3 5-sGNR的電子結構

圖4零模帶結構

圖5 sGNR中的零模工程

總之，作者展示了一種通過將零能模式的對稱超晶格插入到其他半導體GNRs來誘導GNRs中的金屬性的通用技術，使用掃描隧穿光譜以及第一性原理密度泛函理論和緊密結合計算來驗證所得到的金屬豐度。研究結果表明，通過有意的子晶格對稱破缺控制零模波函數的重疊，可以在較寬的范圍內調諧GNRs的金屬帶寬。這種方法為開發納米級電氣設備以及探索此類一維金屬系統中的電子和磁性現象創造了機會，實現了石墨烯納米帶的金屬性調控。