2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，从石墨中成功分离出石墨烯，从而证实石墨烯可以单独存在，两人也因"在二维石墨烯材料的开创性实验"共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

事实上，对于石墨烯的研究早在2004年前就已经在进行了，十余年来，各国科研人员针对石墨烯开展了大量研究工作，试图研制出高效、可控的制备石墨烯纳米带的技术工艺。

基于法国SOLEIL同步加速器X射线等实验的研究成果，法美科学团队于2012年11月成功研制出一种用于生产石墨烯纳米带半导体的方法。科研人员在碳化硅表面刻蚀凹槽，并以此作为基板，通过控制基板的几何形状，在其上形成仅有几纳米宽的石墨烯纳米带。该项技术可在常温下进行，其制备的石墨烯半导体仅为此前IBM公司所制纳米带的五分之一宽。该技术可高效、可控地制备石墨烯半导体，为石墨烯规模化工业生产带来可能，同时也使新一代高密度集成电路的制备不再遥不可及。石墨烯纳米带生产新工艺的开发成功，使其规模化工业生产成为可能。

石墨烯纳米带因其边缘的不同分为扶手椅型和Z型两种，其中Z型纳米带为导体，而扶手椅型纳米带为半导体。

石墨烯是一种理想的二维电子气材料，为研究许多基础物理现象如量子霍尔效应、拓扑相变、自旋传输、超导等提供了简单的模型系统。石墨烯特性之一是其电子结构对边缘非常敏感。其中，锯齿形边缘（zigzag-edge）结构尤为引人注意。过去二十几年间，研究锯齿形边缘石墨烯一直是理论领域的重点研究对象。早在1996年，已故麻省理工教授M.Dresselhaus及其合作者日本筑波大学M.Fujita和K.Nakada就预测了锯齿形边缘石墨烯纳米带中平带和边缘态的存在，为调控石墨烯的物性提供了新的思路；2006年加州大学伯克利分校教授S.Louie等进而预测了边缘的自旋极化横向电场诱导自旋半金属的形成。到目前为止，锯齿形边缘石墨烯的边缘态观测主要依赖于扫描隧道显微术。利用扫描隧道显微镜，已经验证了石墨烯锯齿形边缘处存在局域电子态，这种电子态会沿着边缘方向一直延伸，但在垂直边缘的方向迅速衰减；随着石墨烯纳米带宽度的减小，两个铁磁性的边缘局域电子态呈现反铁磁耦合，进而伴随着纳米带从金属性向半导体性转变。

相对于局域的电子态测量，研究边缘态对石墨烯输运性质的影响更加重要，既有助于人们更深入地了解这种电子态的物理内涵，也将为未来石墨烯纳米带电子和自旋器件的发展提供重要的物理基础。然而，这方面的实验研究一直没有突破。存在的挑战主要包括两方面：一是如何获得适合输运研究的锯齿形边缘石墨烯纳米带高品质样品；二是在输运测量中如何将边缘态和“体态”分离开来以实现指认。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件院重点实验室N07课题组张广宇研究员的博士生吴霜、沈成等针对锯齿形边缘石墨烯纳米带开展了磁输运测量研究。利用课题组前期发展的氢等离子体各向异性刻蚀辅助的石墨烯纳米结构加工技术【参见：Adv. Mater. 22, 4014 (2010); Adv. Mater. 23, 3061 (2011); Appl. Phys. Lett. 109, 053101 (2016)】，在六方氮化硼绝缘衬底上加工了系列不同宽度的锯齿形边缘石墨烯纳米带。通过扫描隧道显微镜原子分辨成像和扫描隧道谱，验证了样品的高质量。进而加工了锯齿形边缘石墨烯纳米带三端器件，在强磁场和纳米带的尺寸效应共同作用下成功将填充因子为零（ν=0）的“体态”绝缘，并观测到一个和边缘态相关的电导峰，且此电导峰具有不随温度和磁场变化的鲁棒性。同时，通过非局域（non-local）测量也在零磁场下观测到了一个电压信号，其能量位置与磁输运下的电导峰一致，进一步证实了边缘态参与导电。此外，在边缘无序的石墨烯纳米带对比样品中，这种边缘输运特征并未出现，证实这种边缘导电是锯齿形边缘所独有。

相关结果于2018年5月22日发表在《物理评论快报》上【Phys. Rev. Lett. 120, 216601 (2018)】。本工作中，锯齿形边缘石墨烯纳米带样品的扫描隧道显微镜表征是和表面物理实验室SF06组王炜华副研究员及博士生刘冰（共同第一作者）合作完成；北京理工大学的姚裕贵教授及其博士生李思为本工作提供了理论解释方面的帮助。工作得到了基金委（61325021／91223204）和科学院项目（XDPB0602／XDB07010100／OYZDB-SSW-SLH0004）的支持。

文章链接： https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.120.216601

文章来源：中科院物理所

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石墨烯是一种理想的二维电子气材料，为研究许多基础物理现象如量子霍尔效应、拓扑相变、自旋传输、超导等提供了简单的模型系统。石墨烯特性之一是其电子结构对边缘非常敏感。其中，锯齿形边缘（zigzag-edge）结构尤为引人注意。过去二十几年间，研究锯齿形边缘石墨烯一直是理论领域的重点研究对象。早在1996年，已故麻省理工教授M.Dresselhaus及其合作者日本筑波大学M.Fujita和K.Nakada就预测了锯齿形边缘石墨烯纳米带中平带和边缘态的存在，为调控石墨烯的物性提供了新的思路；2006年加州大学伯克利分校教授S.Louie等进而预测了边缘的自旋极化横向电场诱导自旋半金属的形成。到目前为止，锯齿形边缘石墨烯的边缘态观测主要依赖于扫描隧道显微术。利用扫描隧道显微镜，已经验证了石墨烯锯齿形边缘处存在局域电子态，这种电子态会沿着边缘方向一直延伸，但在垂直边缘的方向迅速衰减；随着石墨烯纳米带宽度的减小，两个铁磁性的边缘局域电子态呈现反铁磁耦合，进而伴随着纳米带从金属性向半导体性转变。

相对于局域的电子态测量，研究边缘态对石墨烯输运性质的影响更加重要，既有助于人们更深入地了解这种电子态的物理内涵，也将为未来石墨烯纳米带电子和自旋器件的发展提供重要的物理基础。然而，这方面的实验研究一直没有突破。存在的挑战主要包括两方面：一是如何获得适合输运研究的锯齿形边缘石墨烯纳米带高品质样品；二是在输运测量中如何将边缘态和“体态”分离开来以实现指认。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件院重点实验室N07课题组张广宇研究员的博士生吴霜、沈成等针对锯齿形边缘石墨烯纳米带开展了磁输运测量研究。利用课题组前期发展的氢等离子体各向异性刻蚀辅助的石墨烯纳米结构加工技术【参见：Adv. Mater. 22, 4014 (2010); Adv. Mater. 23, 3061 (2011); Appl. Phys. Lett. 109, 053101 (2016)】，在六方氮化硼绝缘衬底上加工了系列不同宽度的锯齿形边缘石墨烯纳米带。通过扫描隧道显微镜原子分辨成像和扫描隧道谱，验证了样品的高质量。进而加工了锯齿形边缘石墨烯纳米带三端器件，在强磁场和纳米带的尺寸效应共同作用下成功将填充因子为零（ν=0）的“体态”绝缘，并观测到一个和边缘态相关的电导峰，且此电导峰具有不随温度和磁场变化的鲁棒性。同时，通过非局域（non-local）测量也在零磁场下观测到了一个电压信号，其能量位置与磁输运下的电导峰一致，进一步证实了边缘态参与导电。此外，在边缘无序的石墨烯纳米带对比样品中，这种边缘输运特征并未出现，证实这种边缘导电是锯齿形边缘所独有。

相关结果于2018年5月22日发表在《物理评论快报》上【Phys. Rev. Lett. 120, 216601 (2018)】。本工作中，锯齿形边缘石墨烯纳米带样品的扫描隧道显微镜表征是和表面物理实验室SF06组王炜华副研究员及博士生刘冰（共同第一作者）合作完成；北京理工大学的姚裕贵教授及其博士生李思为本工作提供了理论解释方面的帮助。工作得到了基金委（61325021／91223204）和科学院项目（XDPB0602／XDB07010100／OYZDB-SSW-SLH0004）的支持。

文章链接： https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.120.216601

编辑：太阳骑士07