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圖片來(lái)源：Pixabay/CC0

由科隆大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組首次成功地連接了幾個(gè)由石墨烯（一種碳的變體）制成的原子級(jí)精確納米帶，以形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)�？茖W(xué)家們已經(jīng)合成并用光譜表征了納米帶異質(zhì)結(jié)。然后他們能夠?qū)�異質(zhì)結(jié)集成到電子元件中。通過(guò)這種方式，他們創(chuàng)造了一種對(duì)原子和分子高度敏感的新型傳感器。他們的研究結(jié)果已在《自然通訊》上以“原子精確石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)中的隧道電流調(diào)制”為標(biāo)題發(fā)表. 這項(xiàng)工作是在實(shí)驗(yàn)物理研究所與科隆大學(xué)化學(xué)系以及蒙特利爾、新西伯利亞、廣島和伯克利的研究小組的密切合作下進(jìn)行的。它由德國(guó)研究基金會(huì) (DFG) 和歐洲研究委員會(huì) (ERC) 資助。

石墨烯納米帶的異質(zhì)結(jié)只有一納米——百萬(wàn)分之一毫米——寬。石墨烯僅由單層碳原子組成，被認(rèn)為是世界上最薄的材料。2010 年，曼徹斯特的研究人員首次成功制造出單原子層的石墨烯，并因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。“石墨烯 納米帶用于制造傳感器的異質(zhì)結(jié)各有 7 個(gè)和 14 個(gè)碳原子寬，約 50 納米長(zhǎng)。它們的特別之處在于它們的邊緣沒(méi)有缺陷。實(shí)驗(yàn)物理研究所的 Boris Senkovskiy 博士解釋說(shuō)，這就是為什么它們被稱(chēng)為“原子級(jí)精確”納米帶的原因。研究人員在短端連接了幾個(gè)這樣的納米帶異質(zhì)結(jié)，從而創(chuàng)建了更復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，作為隧道勢(shì)壘。

使用角分辨光電子發(fā)射、光譜學(xué)和掃描隧道顯微鏡研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在下一步中，生成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)被集成到電子設(shè)備中。的電流流過(guò)納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)由量子力學(xué)的隧道效應(yīng)支配。這意味著在某些條件下，電子可以通過(guò)“隧道效應(yīng)”克服原子中現(xiàn)有的能壘，因此即使勢(shì)壘大于電子的可用能量，電流也會(huì)流動(dòng)。

研究人員構(gòu)建了一種新型傳感器，用于從納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)中吸附原子和分子。通過(guò)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧道電流對(duì)表面上積累的吸附物特別敏感。也就是說(shuō)，當(dāng)原子或分子（例如氣體）聚集在傳感器表面時(shí)，電流強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化�！拔覀儤�(gòu)建的原型傳感器具有出色的性能。除其他外，它特別敏感，甚至可以用于測(cè)量最少量的吸附物，”實(shí)驗(yàn)物理研究所研究小組組長(zhǎng)亞歷山大·格魯內(nèi)斯教授說(shuō).