固體所在基于石墨烯的新拓撲結構研究方面取得進展

在不同長寬比下石墨烯莫比烏斯帶的結構

　　中科院合肥物質科學研究院固體所在基于石墨烯的新拓撲結構研究方面取得進展。研究人員把一個紙帶旋轉180o，然后再把紙帶兩端粘合在一起，他們就可以輕易地得到一個莫比烏斯帶。莫比烏斯帶是只具有一個表面和一個邊界的特殊拓撲結構。基于其特殊的拓撲性質，莫比烏斯帶在工業和藝術上有著重要的應用，例如，因為可以同時使用帶子的兩個面，具有莫比烏斯結構的傳送帶可以使用更長時間。

　　只有一個碳原子層厚度的石墨烯展現出豐富的物理性質，基于石墨烯可以得到具有一定寬度的石墨烯納米帶。與紙片和塑料薄片相似，在平行于石墨烯的平面內，石墨烯很難被拉伸或者壓縮，但是在垂直于石墨烯平面的方向上，卻很容易被彎曲。把石墨烯納米帶的兩端連接起來，就可以得到熟悉的碳納米管。基于石墨烯的莫比烏斯帶是否能夠穩定存在？這類莫比烏斯帶具有什么樣的結構特征？

　　固體所王賢龍博士和導師曾雉研究員利用第一性原理方法對這一問題進行了深入的研究。他們的研究結果顯示，石墨烯納米帶可以形成穩定的莫比烏斯結構，莫比烏斯帶的結構會隨著石墨烯納米帶的長寬比變化而變化。在一定的長寬比以上，石墨烯莫比烏斯帶上會有一個平面三角形形成，最大的應變出現在三角形的頂端。在特定長度的條件下，隨著寬度的增加，三角形區域會越來越擴展，合成莫比烏斯結構所需的能量也越來越高。當長度與寬度的比例小于3.46之后，莫比烏斯帶是一個具有三個三角形疊加的結構。

　　在具有鋸齒形邊緣的石墨烯納米帶中，邊緣的碳原子具有局域磁矩，局域磁矩在同一邊內和兩邊之間分別是鐵磁和反鐵磁耦合，因此整個石墨烯納米帶的總磁矩為零。電子結構分析發現這類莫比烏斯帶卻具有非零的磁矩，這是由于在石墨烯莫比烏斯結構中只有一個邊存在，并且邊內的鐵磁耦合強度遠大于兩邊之間的反鐵磁耦合強度所致。

　　由于石墨烯的莫比烏斯帶具備石墨烯優良的物理性質、特殊的拓撲結構以及鐵磁耦合的邊緣態，因此有望應用于微電子學、自旋電子學和光學等領域。

　　上述研究成果的論文在Appl. Phys. Lett. 97,123103 (2010)發表后，很快被NPG Asia Materials作為Featured Highlight，以標題Nanoelectronics: Graphene with a twist報道。

　　此工作得到了國家自然科學基金(10774148，10904148)和國家重大科學研究計劃（973項目）（2007CB925004）的資助。