近期，中科院合肥物質科學研究院固體所計算材料科學研究室曾雉研究員帶領的課題組在氫化石墨烯（包括石墨烷納米條紋GNS））的電子結構（能帶結構、磁性等）和動力學穩(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驗現(xiàn)象，提出了原創(chuàng)性的器件設計制備方案。

　　自從2004年石墨烯（單原子層石墨）被發(fā)現(xiàn)以來，科學界和工業(yè)界對其在光學器件、電子器件、生物技術以及高分子復合材料方面的應用前景一直非常看好。石墨烯晶體管則是這些應用中很重要的角色，目前廣泛采用石墨烯納米帶來實現(xiàn)場效應管的功能。然而，在等離子刻蝕的實驗制備過程中，石墨烯納米帶的邊緣往往因為高能等離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活性非常高，外來基團在邊緣的吸附很難控制和預測。另外，與襯底的相互作用也會帶來許多的負面影響。因此，用石墨烯納米帶來實現(xiàn)石墨烯晶體管的實際應用還有許多困難需要克服。

　　曾雉研究員帶領的課題組在氫化石墨烯的電子結構和動力學穩(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驗現(xiàn)象，提出了原創(chuàng)性的器件設計制備方案。博士生黃良鋒等通過系統(tǒng)的密度泛函數(shù)值計算和簡單理論模型的結合，闡述了量子限制效應、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石墨烷納米條紋（石墨烯納米帶）的能隙和磁性的各自貢獻。他們的一些預測與近期一些實驗測量的結果一致。通過對石墨烯/石墨烷界面上氫吸附原子動力學穩(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力學穩(wěn)定性方面首先模擬/解釋已有實驗測量的工作。近來實驗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量，首要任務是增加氫的覆蓋率。在其理論模擬的基礎上，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，預測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深入理解石墨烯的電子性質有重要貢獻，而且對石墨烯晶體管的進一步研究和實際應用有重要的指導意義。相關研究結果發(fā)表在《物理前沿》上（Frontiers of Physics），并且被《物理前沿》選為封底文章進行報道。

　　此項研究工作受到自然科學基金、973項目和中科院知識創(chuàng)新方向性項目的資助。本工作的部分計算任務在中科院合肥超級計算機中心完成。

來源：中國科學院