慧正資訊，石墨烯因其優(yōu)異的機械、電學和熱學性能備受矚目。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，更是展示了獨特的應用潛力。
新加坡國立大學的研究人員最近在下一代碳基量子材料的開發(fā)中取得了重大突破，為量子電子學的進步開辟了新的視野。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)對稱鋸齒邊緣石墨烯納米帶（ZGNRs）的局限，為量子計算與自旋電子學開辟了新的路徑。
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這個名字來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計的缺陷——這些缺陷其實是周期性排列的小
苯環(huán)分子。這種結(jié)構(gòu)上的不對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方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。
傳統(tǒng)石墨烯納米帶的兩側(cè)邊緣因為對稱性，其磁性互相抵消，形成的是“反鐵磁性”，即兩個邊緣的電子自旋方向相反。而在Janus納米帶中，一側(cè)的缺陷設計巧妙地“關閉”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)是量子計算和高效電子器件的理想選擇。
要理解Janus石墨烯納米帶的設計，首先需要了解兩個核心理論：Lieb定理和拓撲分類理論。這些理論指出，在一些特殊的晶格結(jié)構(gòu)中，適當?shù)娜毕菰O計可以在量子層面引發(fā)顯著的磁性變化?？茖W家發(fā)現(xiàn)，通過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)對稱性并在量子尺度上制造“自旋極化”的狀態(tài)。
設計時，一個關鍵問題是缺陷之間的間距如何安排。通過反復計算和實驗，研究團隊發(fā)現(xiàn)，當缺陷的間距是兩倍苯環(huán)大?。ㄓ梅枴癿=2”表示）時，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一步拓展提供了無限可能。
從理論到實際操作，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基團，允許研究者靈活調(diào)整其邊緣結(jié)構(gòu)。
在實驗中，這些前驅(qū)體分子被均勻地沉積在金基底上。通過多步加熱處理，這些分子逐漸結(jié)合在一起，形成了目標結(jié)構(gòu)的Janus石墨烯納米帶。在整個過程中，科學家使用了掃描隧道顯微鏡和非接觸式原子力顯微鏡對材料進行實時觀測，以確保結(jié)構(gòu)精確符合設計。
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”，對應于周期性苯環(huán)的排列。
制備成功的Janus石墨烯納米帶展現(xiàn)出一系列強悍的性能，尤其是在磁性和電子傳輸方面。實驗表明，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，這一側(cè)的電子自旋方向高度一致，可以用來傳導單一方向的電流。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，科學家通過掃描隧道光譜和第一性原理密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)，這種材料的能帶結(jié)構(gòu)有獨特的分裂現(xiàn)象。在接近導體和絕緣體的“臨界點”上，Janus石墨烯納米帶展現(xiàn)出強大的穩(wěn)定性和控制能力，這對于制造高性能電子器件至關重要。
Janus石墨烯納米帶的獨特特性讓它在多個高科技領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力：
· 量子計算。量子計算機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。傳統(tǒng)電子器件利用的是電子的電荷，而自旋電子學則利用電子的自旋來存儲和傳輸信息。Janus納米帶的自旋極化特性能夠極大提高數(shù)據(jù)存儲密度和傳輸速度。
· 高密度存儲器。在未來的數(shù)據(jù)存儲設備中，Janus納米帶有望作為核心材料實現(xiàn)更高的存儲容量和更低的能耗。
· 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，用于檢測極其微小的環(huán)境變化。
盡管Janus石墨烯納米帶在實驗室中取得了突破性進展，但要將其推廣到實際應用仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，目前的制備過程復雜且成本較高，難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。此外，如何讓這種材料在真實環(huán)境下保持穩(wěn)定性也是一個需要解決的問題。
然而，隨著科學技術(shù)的不斷進步，這些問題都可能被逐步攻克。從長遠來看，Janus石墨烯納米帶有潛力成為下一代電子和量子設備的核心材料，徹底改變我們使用科技的方式。
