石墨烯是一种具有特殊性质的原子级厚的材料，是下一代快速、高效电子产品的理想材料。然而，科学家一直努力将这种材料制成超窄条状，即纳米带，使其可以用于制备高性能半导体电子器件。现在，工程师们发现了一种方法可以将具有理想半导体性质的石墨烯纳米带直接生长在传统的锗半导体晶片上。

生长在锗上的石墨烯纳米带逐步放大图像。这种纳米带自动对齐垂直且自然的生长在所谓的扶手椅边缘。图片来源：Arnold及Guisinger研究团队

石墨烯是一种具有特殊性质的原子级厚的材料，是下一代快速、高效电子产品的理想材料。然而，科学家一直努力将这种材料制成超窄条状，即纳米带，使其可以用于制备高性能半导体电子器件。

现在，威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们发现了一种方法可以将具有理想半导体性质的石墨烯纳米带直接生长在传统的锗半导体晶片上。这一进展使得制造商可以轻易的将石墨烯纳米带使用在杂化集成电路上，这将大大提升下一代电子产品的性能。该技术还有望在工业、军事应用领域有特殊用途，例如检测特定化学及生物种类的传感器以及操纵光的光子器件。

相关论文发表于8月10日的《自然·通讯》（Nature Communication）上，作者包括UW-Madison材料科学与工程副教授Michael Arnold、博士生Robert Jacobberger、及其他合作者，在论文中描述了一种制备石墨烯纳米带的新方法。重要的是，这项技术很容易进行大规模生产，并与目前用于处理半导体的基础设施兼容。

“石墨烯纳米带可以直接生长于锗等半导体的表面，这与半导体工业中采用的技术相兼容，所以就减少了一个屏障，可以将这种真正优秀的材料应用于未来的电子产品中。”Arnold如是说。

石墨烯是一片只有一个原子厚的碳原子，其导电性和散热性都远高于目前计算机芯片中最常见的硅。但要将石墨烯优异的电学性能应用到电流需要开关的半导体应用中，石墨烯纳米带的宽度必须小于10纳米。另外，纳米带必须足够光滑，碳-碳键明确的“椅”边缘必须平行于纳米带的长度方向。

通常的做法是利用光刻技术将较大的石墨烯片剪切成带状。然而，这种“自上而下”的制备方法缺乏精度，制得的纳米带的边缘非常粗糙。

另一种制备纳米带的方法就是“自下而上”，比如表面辅助有机合成，其中分子前驱体在表面反应形成聚合纳米带。Arnold认为表面辅助合成能够产生具有精确、光滑边缘的完美纳米带，但这种方法只适用于金属基底，且所得到的纳米带只能应用于近期的电子产品。

为了克服这些障碍，UW-Madison研究人员开创了一种自下而上的技术，采用化学气相沉积方法直接在锗晶片上生长具有光滑、精确边缘的超窄纳米带。在这一过程中，研究人员以甲烷为原料，使其吸附在锗表面，并分解成各种碳氢化合物。这些碳氢化合物在表面相互反应，形成石墨烯。

Arnold研究小组发现，降低化学气相沉积腔体中甲烷的量，石墨烯晶体的生长速度也显著放缓。他们发现在一个非常缓慢的生长速率下，石墨烯晶体在锗的特定晶面上自然生长成长带。通过对生长速率和生长时间的简单控制，研究人员可以轻易的将纳米带的宽度调整到10纳米以下。

“当石墨烯在锗上生长时，我们发现自然形成了的非常光滑、具有扶手椅边缘的纳米带。”Arnold说，“纳米带的宽度可以非常非常窄，而其长度可以很长，所以说所有设想的石墨烯纳米带的理想特性都可以通过这种技术自动获得。”

这种技术制得的纳米带开始在锗表面看似随机的点上形核，或者说是生长，接着在表面两个不同的方向上排列。Arnold说该研究小组未来的研究包括控制纳米带，使其都在一个方向上生长和排列。

研究人员正通过威斯康星校友研究基金会（Wisconsin Alumni Research Foundation）申请专利。该研究主要由美国能源部基础能源科学项目资助。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮