近期，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體所計(jì)算材料科學(xué)研究室曾雉研究員帶領(lǐng)的課題組在氫化石墨烯（包括石墨烷納米條紋GNS））的電子結(jié)構(gòu)（能帶結(jié)構(gòu)、磁性等）和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性研究上取得了新成果。他們成功地模擬和解釋了一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出了原創(chuàng)性的器件設(shè)計(jì)制備方案。

　　自從2004年石墨烯（單原子層石墨）被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)界和工業(yè)界對(duì)其在光學(xué)器件、電子器件、生物技術(shù)以及高分子復(fù)合材料方面的應(yīng)用前景一直非常看好。石墨烯晶體管則是這些應(yīng)用中很重要的角色，目前廣泛采用石墨烯納米帶來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管的功能。然而，在等離子刻蝕的實(shí)驗(yàn)制備過(guò)程中，石墨烯納米帶的邊緣往往因?yàn)楦吣艿入x子的轟擊而變得非常不平整，而且石墨烯納米帶邊緣的懸掛鍵化學(xué)活性非常高，外來(lái)基團(tuán)在邊緣的吸附很難控制和預(yù)測(cè)。另外，與襯底的相互作用也會(huì)帶來(lái)許多的負(fù)面影響。因此，用石墨烯納米帶來(lái)實(shí)現(xiàn)石墨烯晶體管的實(shí)際應(yīng)用還有許多困難需要克服。

　　曾雉研究員帶領(lǐng)的課題組在氫化石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性研究上獲得了創(chuàng)新性成果，成功地模擬和解釋了一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出了原創(chuàng)性的器件設(shè)計(jì)制備方案。博士生黃良鋒等通過(guò)系統(tǒng)的密度泛函數(shù)值計(jì)算和簡(jiǎn)單理論模型的結(jié)合，闡述了量子限制效應(yīng)、邊緣態(tài)內(nèi)部電子相互作用以及邊緣態(tài)之間電子相互作用對(duì)石墨烷納米條紋（石墨烯納米帶）的能隙和磁性的各自貢獻(xiàn)。他們的一些預(yù)測(cè)與近期一些實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果一致。通過(guò)對(duì)石墨烯/石墨烷界面上氫吸附原子動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的模擬，他們指出，可以在石墨烷中刻蝕出邊緣非常平整的石墨烷納米條紋，并且認(rèn)為這樣的石墨烷納米條紋在常規(guī)條件下非常穩(wěn)定。這也是目前理論上從動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性方面首先模擬/解釋已有實(shí)驗(yàn)測(cè)量的工作。近來(lái)實(shí)驗(yàn)上所制備的此類納米器件邊緣還不平整，該工作指出，要提高所制備納米器件的質(zhì)量，首要任務(wù)是增加氫的覆蓋率。在其理論模擬的基礎(chǔ)上，他們提出了用掃描探針集成地刻蝕石墨烷納米條紋的制備方案，預(yù)測(cè)可以在襯底支撐的石墨烷上用電子束刻蝕出高性能、高穩(wěn)定性和高集成度的石墨烷納米條紋電子器件。

　　上述研究工作不僅對(duì)深入理解石墨烯的電子性質(zhì)有重要貢獻(xiàn)，而且對(duì)石墨烯晶體管的進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《物理前沿》上（Frontiers of Physics），并且被《物理前沿》選為封底文章進(jìn)行報(bào)道。

　　此項(xiàng)研究工作受到自然科學(xué)基金、973項(xiàng)目和中科院知識(shí)創(chuàng)新方向性項(xiàng)目的資助。本工作的部分計(jì)算任務(wù)在中科院合肥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心完成。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院