石墨烯（单原子层石墨）自从2004年发现以来，科学界和工业界对其在光学器件、电子器件、生物技术以及高分子复合材料方面的应用前景一直非常看好。而石墨烯晶体管则是这些应用中很重要的角色之一。目前广泛采用石墨烯纳米带（GNR）来实现场效应管（FET）的功能。然而，在等离子刻蚀的实验制备过程中，GNR的边缘往往因为高能等离子的轰击而变得非常不平整，而且GNR边缘的悬挂键化学活性非常高，外来基团在边缘的吸附很难控制和预测，另外，与衬底的相互作用也会带来许多的负面影响。所以，用GNR来实现石墨烯晶体管的实际应用还有许多困难需要克服。

    我所计算材料科学研究室曾雉研究员带领的课题组在氢化石墨烯（包括石墨烷纳米条纹（GNS））的电子结构（能带结构、磁性等）和动力学稳定性获得了创新性成果，成功地模拟和解释了一些实验现象，提出了原创性的器件设计制备方案。博士生黄良锋等通过系统的密度泛函数值计算和简单理论模型的结合，阐述了量子限制效应、边缘态内部电子相互作用以及边缘态之间电子相互作用对GNS（GNR）的能隙和磁性的各自贡献。他们的一些预测与近期一些实验测量的结果一致（Tao, Nature Physics 7, 616-620 (2011)）。通过对石墨烯/石墨烷界面上氢吸附原子动力学稳定性的模拟，他们指出可以在石墨烷中刻蚀出边缘非常平整的GNS，并且认为这样的GNS在常规条件下非常稳定。这也是目前理论上从动力学稳定性方面首先模拟/解释已有实验测量的工作（Elias, Science 323, 610-613 (2009)）。近来实验上所制备的此类纳米器件边缘还不平整（Sessi, Nano Lett. 9, 4343 (2009); Withers, Nano Lett. 11, 3912 (2011); Byun, ACS Nano 5, 6417 (2011)），该工作指出，要提高所制备纳米器件的质量，增加氢的覆盖率为首要任务。在其理论模拟的基础上，他们提出了用扫描探针集成地刻蚀GNS的制备方案，预测可以在衬底支撑的石墨烷上用电子束刻蚀出高性能、高稳定性和高集成度的GNS电子器件。上述研究工作不仅对深入理解石墨烯的电子性质（磁性，能带结构等）有重要贡献，而且对石墨烯晶体管的进一步研究和实际应用有重要的指导意义。

    相关研究结果发表在Frontiers of Physics 7, 324-327 (2012)，J. Phys. Chem. C 115, 21088–21097 (2011)，J. Phys.: Condens. Matter 23, 435007 (2011)，J. Chem. Phys. 135, 064705 (2011)，Surface Science 605, 1489 (2011)，J. Phys. Chem. C 114, 22636 (2010)以及Acta Physica Sinica (Chinese Edition) 58, S306 (2009)上，并且被Frontiers of Physics选为封底文章进行报道。

    本研究工作受国家自然科学基金、973项目和院知识创新方向性项目的资助，本工作的部分计算任务是在中科院合肥超级计算机中心完成。

                                图1  集成的GNS-FET的制备示意图

                    图2  扶手椅型边缘GNS的(a)能带结构和(b)带隙随宽度的变化关系

             图3 锯齿型边缘GNS的能带结构、磁性以及它们随宽度和掺杂电荷密度的变化关系