石墨烯纳米带Graphene nanoribbons (GNRs)因其高载流子迁移率、可调带隙和可定制电子结构，在纳米电子学中具有巨大应用前景。自下而上合成方法，可实现原子级精确制备具有特定宽度和边缘结构的石墨烯纳米带，从而实现优异特性，如可观的带隙、自旋极化边缘态，以及对量子技术至关重要的拓扑态。然而，将这些纳米级材料转化为功能器件，仍面临很多重大挑战，包括精确表征、洁净转移、可靠电接触以及有效的静电调控。
近日，国家纳米科学中心张健联合瑞士联邦材料科学与技术研究所Gabriela Borin Barin & Mickael L. Perrin等在Nature Reviews Materials上发表综述文章，概述了自下而上合成石墨烯纳米带在器件集成方面的最新进展。
首先概述了石墨烯纳米带的本征材料特性以及最常用的合成方法，包括表面合成法、溶液相合成法和化学气相沉积技术。随后，通过探讨将石墨烯纳米带集成到场效应晶体管和量子点晶体管中的各种器件几何结构，深入研究了器件集成策略。特别关注了在这些器件中所观察到的量子输运现象，如单电子隧穿、振动激发效应、Franck-Condon阻塞，以及相位相干输运。
最后，还探讨了目前仍然存在的器件集成挑战，这提出了克服这些挑战的策略，并概述了推动基于石墨烯纳米带的纳米电子学、自旋电子学和量子信息技术发展所必需的未来研究方向。
Bottom–up-synthesized graphene nanoribbons for nanoelectronics.
基于纳米电子学，自下而上合成石墨烯纳米带
图1： 具有原子级精确，一维π共轭平面碳结构的电子结构。
图2： 石墨烯纳米带的合成、转移及器件集成方法。
图3： 石墨烯纳米带的主要表征技术。
图4： 器件结构。
图5： 基于自下而上方法合成方法，石墨烯纳米带的场效应晶体管。
图6： 基于自下而上方法合成方法，石墨烯纳米带的单电子晶体管。
图7： 超越库仑阻塞的量子现象。
图8： 基于石墨烯纳米带的量子技术与应用路线图。
科普解读：石墨烯纳米带可以看作是“剪裁成条状的石墨烯”，宽度仅为几个原子。这种极细的结构赋予独特的电学性质：既能像半导体一样开关电流，又能通过调节宽度改变性能，甚至具备抵抗干扰的“拓扑边缘态”。通过“自下而上”的化学方法，像搭积木一样将分子拼接成结构完美的纳米带，克服了传统制备方式中边缘粗糙、尺寸不均的难题。目前石墨烯纳米带已用于制作超小型晶体管和量子器件，有望成为高性能芯片、量子计算机和超高灵敏度传感器的核心材料。材料转移、电极接触等方面研究，将有助于推进碳基纳米电子与量子技术。
文献链接
Zhang, J., Ghawri, B., Dutta, D. et al. Bottom–up-synthesized graphene nanoribbons for nanoelectronics. Nat Rev Mater (2026). https://doi.org/10.1038/s41578-025-00880-5
本文译自Nature。
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