背景

石墨烯，是由單層碳原子組成、具有蜂窩狀結構的二維材料。

獨特的結構為石墨烯帶來了一系列卓越的特性：厚度僅為人類發絲直徑的百萬分之一，強度勝過鋼鐵百倍，導電性勝過銅，透光性也很好。同時，石墨烯是由自然界中廣泛分布的碳元素組成，原料非常豐富。

理論上講，石墨烯非常適用于制造未來更快更節能的納米電子器件和光子器件。十五年來，科學家們一直在用這種“神奇材料”進行著這方面的探索。

理論上，在石墨烯中簡單地剪切微小圖案，就會從根本上改變其量子特性。因此，通過這種改變，石墨烯可以執行電子學、光子學、傳感器等領域中的不同任務。為石墨烯引入“帶隙”，對于晶體管和光電子器件來說非常重要。可是，這個看上去“簡單”的任務，其實卻是非常困難的。由于石墨烯只有一個原子的厚度，所有的碳原子都很重要，即使圖案中存在細微的不規則，也會破壞其特性。

丹麥技術大學（DTU）物理系教授PeterBggild表示：“石墨烯是一種極好的材料，我認為它將在納米器件制造中扮演關鍵角色。問題是，調整其電氣特性是極度困難的事情。”

丹麥技術大學與奧爾堡大學的納米結構化石墨烯中心成立于2012年，專門研究如何通過在極小尺度上改變石墨烯的形狀來調整其電氣特性。當實際刻畫石墨烯時，來自丹麥技術大學與奧爾堡大學的研究團隊經歷了全世界范圍的其他科研人員一樣的失敗。

PeterBggild表示：“當你在像石墨烯這樣的材料中刻畫圖案時，你這么做是為了用一種可控方式改變其特性，從而匹配你的設計要求。可是，這些年來我們看到的卻是，雖然我們可以制造出洞，卻無法避免引入許多的混亂與污染，使材料變現得不再像石墨烯。這有點像，較差的制造技術造出的水管會出現部分阻塞。從外部看，它似乎是完好的，但是水卻無法自由流動。對于電子器件來說，這顯然是災難性的。”

創新

近日，丹麥的科學家團隊解決了這個問題。成果發表在《自然納米技術（NatureNanotechnology）》期刊上。

技術

丹麥技術大學物理系的兩名博士后BjarkeJessen和LeneGammelgaard首先將石墨烯封裝到另外一種二維材料（六方氮化硼）中，六方氮化硼是一種非導電的材料，通常用于保護石墨烯的特性。

接下來，他們采用一項稱為“電子束光刻”的技術，仔細地在氮化硼保護層和下面的石墨烯中，刻畫出密集的超小洞陣列。這些洞的直徑約為20納米，間距僅為12納米。可是，洞的邊緣的粗糙程度小于1納米（十億分之一米）。在如此微小的石墨烯結構中，經過這種結構的電流可比之前報告的成果高千倍。

價值

PeterBggild表示：“我們展示了，我們可以控制石墨烯的能帶結構，并設計其行為方式。當控制能帶結構時，我們可以訪問石墨烯所有的特性。而且我們發現，令我們吃驚的是，一些最微妙的量子電子效應在密集的光刻之后還存在，這是非常令人鼓舞的。我們的研究表明，我們可以坐在電腦前設計元件和設備，或者想象出全新的東西，然后回到實驗室，在實踐中實現它們。“

他繼續說道：“在這個尺度上，許多科學家們放棄了在石墨烯中采用納米光刻技術的嘗試，這真是可惜，因為納米結構化是探索石墨烯電子器件與光子器件最振奮人心的功能的一項關鍵工具。現在，我們已經搞清楚它是如何實現的；也許可以這么說，魔咒被解除了。雖然還有其他的挑戰，但是能調整石墨烯的電子特性，標志著我們朝著創造尺寸極小的新型電子器件邁出了一大步。”