慧正資訊，石墨烯因其優(yōu)異的機(jī)械、電學(xué)和熱學(xué)性能備受矚目。而在石墨烯的家族中，石墨烯納米帶（GNRs）因其邊緣特性與量子效應(yīng)，更是展示了獨(dú)特的應(yīng)用潛力。
新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員最近在下一代碳基量子材料的開(kāi)發(fā)中取得了重大突破，為量子電子學(xué)的進(jìn)步開(kāi)辟了新的視野。研究人員揭示了一種名為Janus石墨烯納米帶（JGNRs）的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)對(duì)稱鋸齒邊緣石墨烯納米帶（ZGNRs）的局限，為量子計(jì)算與自旋電子學(xué)開(kāi)辟了新的路徑。
原文信息：Song, S., Teng, Y., Tang, W. et al. Janus graphene nanoribbons with localized states on a single zigzag edge. Nature (2025).
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08296-x
Janus這個(gè)名字來(lái)源于羅馬神話中的雙面神，象征一種材料兩面呈現(xiàn)截然不同的特性。Janus石墨烯納米帶是一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的納米材料，它的兩側(cè)邊緣截然不同。一側(cè)是傳統(tǒng)的鋸齒狀邊緣，另一側(cè)則加入了一系列精確設(shè)計(jì)的缺陷——這些缺陷其實(shí)是周期性排列的小
苯環(huán)分子。這種結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱性徹底改變了石墨烯納米帶的量子性質(zhì)，尤其是在磁性和電子傳導(dǎo)方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
傳統(tǒng)石墨烯納米帶的兩側(cè)邊緣因?yàn)閷?duì)稱性，其磁性互相抵消，形成的是“反鐵磁性”，即兩個(gè)邊緣的電子自旋方向相反。而在Janus納米帶中，一側(cè)的缺陷設(shè)計(jì)巧妙地“關(guān)閉”了這邊的磁性，使另一側(cè)的磁性得以完全發(fā)揮，從而形成“鐵磁性”狀態(tài)。這種單邊鐵磁性狀態(tài)是量子計(jì)算和高效電子器件的理想選擇。
Janus設(shè)計(jì)的科學(xué)原理
要理解Janus石墨烯納米帶的設(shè)計(jì)，首先需要了解兩個(gè)核心理論：Lieb定理和拓?fù)浞诸惱碚?。這些理論指出，在一些特殊的晶格結(jié)構(gòu)中，適當(dāng)?shù)娜毕菰O(shè)計(jì)可以在量子層面引發(fā)顯著的磁性變化?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在石墨烯納米帶的一側(cè)引入周期性的苯環(huán)陣列，可以打破其結(jié)構(gòu)對(duì)稱性并在量子尺度上制造“自旋極化”的狀態(tài)。
設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是缺陷之間的間距如何安排。通過(guò)反復(fù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷的間距是兩倍苯環(huán)大小（用符號(hào)“m=2”表示）時(shí)，材料表現(xiàn)出最理想的特性：一側(cè)的磁性完全被抑制，另一側(cè)形成了純凈的鐵磁性邊緣態(tài)。這種精確控制的能力為材料功能的進(jìn)一步拓展提供了無(wú)限可能。
實(shí)驗(yàn)如何實(shí)現(xiàn)？
從理論到實(shí)際操作，Janus石墨烯納米帶的制備充滿挑戰(zhàn)。研究人員采用了一種叫“分子搭積木”的方法。首先，他們合成了一種特殊的Z形分子前驅(qū)體。這種分子可以看作是材料的“模具”，決定了最終納米帶的形狀。前驅(qū)體分子的兩端分別帶有不同的化學(xué)基團(tuán)，允許研究者靈活調(diào)整其邊緣結(jié)構(gòu)。
在實(shí)驗(yàn)中，這些前驅(qū)體分子被均勻地沉積在金基底上。通過(guò)多步加熱處理，這些分子逐漸結(jié)合在一起，形成了目標(biāo)結(jié)構(gòu)的Janus石墨烯納米帶。在整個(gè)過(guò)程中，科學(xué)家使用了掃描隧道顯微鏡和非接觸式原子力顯微鏡對(duì)材料進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，以確保結(jié)構(gòu)精確符合設(shè)計(jì)。
最終，他們成功制造出了兩種不同寬度的Janus納米帶，分別是(4,2)-JGNR和(5,2)-JGNR。這些結(jié)構(gòu)在顯微鏡下表現(xiàn)出清晰的對(duì)稱性破缺特征：普通鋸齒邊緣顯示出規(guī)則的六邊形圖案，而缺陷邊緣則表現(xiàn)出明顯的“突起”，對(duì)應(yīng)于周期性苯環(huán)的排列。
制備成功的Janus石墨烯納米帶展現(xiàn)出一系列強(qiáng)悍的性能，尤其是在磁性和電子傳輸方面。實(shí)驗(yàn)表明，這種材料在普通鋸齒邊緣可以形成鐵磁性邊緣態(tài)，也就是說(shuō)，這一側(cè)的電子自旋方向高度一致，可以用來(lái)傳導(dǎo)單一方向的電流。而在引入缺陷的一側(cè)，磁性被完全抑制，電子傳輸狀態(tài)變得非常穩(wěn)定。
更重要的是，科學(xué)家通過(guò)掃描隧道光譜和第一性原理密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這種材料的能帶結(jié)構(gòu)有獨(dú)特的分裂現(xiàn)象。在接近導(dǎo)體和絕緣體的“臨界點(diǎn)”上，Janus石墨烯納米帶展現(xiàn)出強(qiáng)大的穩(wěn)定性和控制能力，這對(duì)于制造高性能電子器件至關(guān)重要。
Janus石墨烯納米帶的獨(dú)特特性讓它在多個(gè)高科技領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力：
· 量子計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)需要材料能夠精確控制電子的自旋狀態(tài)，而Janus納米帶的單邊鐵磁性正是量子比特的理想材料。
· 自旋電子學(xué)。傳統(tǒng)電子器件利用的是電子的電荷，而自旋電子學(xué)則利用電子的自旋來(lái)存儲(chǔ)和傳輸信息。Janus納米帶的自旋極化特性能夠極大提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度和傳輸速度。
· 高密度存儲(chǔ)器。在未來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備中，Janus納米帶有望作為核心材料實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)容量和更低的能耗。
· 納米傳感器。由于其敏感的電子結(jié)構(gòu)，Janus石墨烯納米帶可以用作高靈敏度傳感器，用于檢測(cè)極其微小的環(huán)境變化。
盡管Janus石墨烯納米帶在實(shí)驗(yàn)室中取得了突破性進(jìn)展，但要將其推廣到實(shí)際應(yīng)用仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，目前的制備過(guò)程復(fù)雜且成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。此外，如何讓這種材料在真實(shí)環(huán)境下保持穩(wěn)定性也是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。
然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問(wèn)題都可能被逐步攻克。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，Janus石墨烯納米帶有潛力成為下一代電子和量子設(shè)備的核心材料，徹底改變我們使用科技的方式。
