石墨烯由于具有高的電荷載流子遷移率，在晶體管等電子器件領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，有望實現(xiàn)更快的計算能力。然而，石墨烯沒有帶寬，導(dǎo)致石墨烯電子器件在任何閘極電壓下都依然保持高導(dǎo)電性，不能完全關(guān)閉，從而限制了其在電子器件的應(yīng)用。因此，科研工作者長期以來都致力于如何使石墨烯半導(dǎo)體化。

為了使石墨烯半導(dǎo)體化，目前通用的策略是制備石墨烯納米帶或者納米孔結(jié)構(gòu)，理論計算表明，通過對形貌、寬度以及邊界結(jié)構(gòu)等參數(shù)的調(diào)控，石墨烯納米帶或納米孔石墨烯不僅具有可調(diào)的能帶結(jié)構(gòu)，還可以得到許多其他的新奇的物理性質(zhì)。

圖1.納米帶或納米孔石墨烯的兩類合成方法

合成納米帶或納米孔石墨烯的方法，較多地采用自上而下的物理法。以石墨烯為原料，通過電子束刻蝕等方法直接制得。這種方法制得的納米帶或者納米孔有一個不可避免的缺陷，就是很難實現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)的精確度。納米孔或納米帶的特征此處不能達(dá)到2nm的尺寸精度，開放帶寬難以實現(xiàn)1eV，不能和傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體材料爭高下！

為了實現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)精確的納米孔或納米帶石墨烯，科研工作者發(fā)明了一種自下而上的化學(xué)分子聚合合成策略。2010年，Cai等人以DBBA分子為前驅(qū)體，在Au(111)單晶表面，通過超高真空加熱聚合，制備得到超窄的石墨烯納米帶。

圖2.化學(xué)合成石墨烯納米帶

JinmingCai,KlausMüllen,RomanFaseletal.Atomicallyprecisebottom-upfabricationofgraphenenanoribbons.Nature2010,466,470–473.

即便如此，問題依然存在：一方面，石墨烯納米帶長度不夠（<50nm），導(dǎo)致器件表征困難；另一方面，納米孔石墨烯的化學(xué)法精確合成仍然有待突破。

有鑒于此，西班牙加泰羅尼亞納米科技研究所AitorMugarza,CésarMoreno和西班牙圣迭戈·德孔波斯代拉大學(xué)DiegoPe?a團(tuán)隊合作，報道了一種化學(xué)分子前驅(qū)體聚合制備1nm孔半導(dǎo)體石墨烯的新策略。

圖3.化學(xué)合成納米孔石墨烯

研究人員采用類似石墨烯納米帶的合成策略，以DP-DBBA為分子前驅(qū)體，在Au(111)單晶表面。在200℃時分子開始聚合，在400℃左右開始形成納米帶。和之前的石墨烯納米帶不一樣的是，這種石墨烯納米帶結(jié)構(gòu)并不是規(guī)則的直線型，因此，當(dāng)進(jìn)一步進(jìn)行450℃的退火操作時，石墨烯納米帶并沒有繼續(xù)變寬形成更寬的納米帶，而是聚合形成納米孔結(jié)構(gòu)的石墨烯。

圖4.納米孔石墨烯的合成表征

研究表明，這種納米孔石墨烯孔徑可達(dá)到1nm尺度，高度各向異性的能帶寬度達(dá)到1eV。值得一提的是，這種半導(dǎo)體化的納米孔石墨烯具有大面積的導(dǎo)電晶疇區(qū)域，基于此制備的晶體管具有高開關(guān)比和約75%的電學(xué)測試收率。

圖5.納米孔石墨烯的電學(xué)性能

圖6.納米孔石墨烯的傳遞性能

總之，這項研究為半導(dǎo)體化石墨烯的精確合成提供了全新的方向，在分離、傳感、DNA測序等領(lǐng)域?qū)砀嗟臋C遇！