石墨烯是一種很有前途的材料,可用于制備明天的納米電子裝置。用精確和可升級的方法制造石墨烯及衍生材料,并且達到理想的電子性能,現(xiàn)在仍然處于探索階段。為克服目前的局限,瑞士聯(lián)邦材料科學與技術研究所(Empa)的研究人員制造石墨烯狀材料,使用了表面化學方式,他們詳細闡述了相應的反應途徑。這項工作發(fā)表在科學雜志《自然化學》上。科學家結合了經驗的觀察,利用了掃描隧道顯微鏡和電腦模擬。

掃描隧道顯微鏡圖像顯示,納米石墨烯分子和兩個穩(wěn)定的中間產品,都在一個銅表面。分子模型顯示了一個納米石墨烯(右下方)以及兩個中間產品(上部和左部)。實際上,分子直徑約為一納米。來源:蘇黎世大學
電子元件變得越來越小,微電子元件逐步讓位于納米電子元件。在納米尺寸,硅這種目前最常用的材料,在半導體技術中基本達到了極限,阻礙著尺寸的繼續(xù)縮小和技術進步。因此,新型電子材料需求量很大。因其不凡的電學性質,石墨烯這種二維碳黑網格,被認為是一種可能的替代品。然而,一些障礙必須克服,只有這樣,石墨烯才可用于半導體技術。例如,當前還沒有簡易又實用的方法,來大規(guī)模加工石墨烯狀材料。
瑞士聯(lián)邦材料科學與技術研究所納米技術表面實驗室的研究者們報道,用一種表面化學途徑制造小片石墨烯,這就是所謂的納米石墨烯。使用原型的聚亞苯基前體(polyphenylene precursor),研究者澄清了問題,參與研究的,還有德國美因茨馬克•普朗克聚合物研究所(Max Planck Institute for Polymer Research)和蘇黎世大學的科學家,他們搞清了銅表面化學反應方式的具體細節(jié),以及基礎材料如何轉化為平整的納米石墨烯,這是直接在表面上轉化的。這工作已于發(fā)表在科學期刊《自然•化學》上,是提前在線發(fā)布。

計算機生成圖像,顯示的細節(jié)是兩個中間產品之中的一個,是研究人員用掃描隧道顯微鏡確定的。來源:蘇黎世大學
為了進行研究,研究人員結合了經驗的觀察,特別是來自掃描隧道顯微鏡的觀察與電腦模擬。模擬是用來確定,理論上可能的反應步驟是否實際有效。結果是,反應方式包含6個步驟和5種中間產品。其中,兩種產品表面是穩(wěn)定的。這樣它們就能采用掃描隧道顯微鏡穩(wěn)定成像。反應障礙涉及到不同的中間產品,這一障礙被減少,就因為基質的催化作用。
為了整合進電子電路中,石墨烯狀材料的制備,必須是在半導體表面,而不是在金屬表面。研究人員已經模擬,測試這種方法是否也適用于這些表面,結果是很有希望的,結果表明,基于表面的合成是一種可行的方法,可以制作量身定做的納米石墨烯,而且可以使用一系列不同的基板。