石墨烯纳米带(Graphene nanoribbons, GNR)是一类具有石墨晶格结构的一维材料。石墨烯纳米带具有很高的迁移率和载流能力、相当大的带隙和多种优异的电子特性，是量子电子应用的理想选择。在过去的5年中，材料科学家在原子精确自底向上合成石墨烯纳米带和异质结方面取得了突破性的进展，为功能性分子器件提供了理想的平台，并成功地在绝缘衬底上生产出了可能用于大规模数字电路的半导体石墨烯纳米带阵列。随着进一步的发展，石墨烯纳米带有望成为未来量子信息科学中非常具有前景的候选材料。

近期，由来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所领衔的中美研究团队，在国际著名期刊Nature Reviews Physics（2021年影响因子：20.034）上以Graphene nanoribbons for quantum electronics为题发表综述文章，总结了石墨烯纳米带近年来研究的最新进展，综述了石墨烯纳米带量子电子学的材料、器件和集成方面的关键技术，并讨论了在这一领域将来发展中可能出现的关键挑战和新方向。更重要的是，文章讨论了石墨烯纳米带未来在逻辑和内存的三维集成、自旋电子学到拓扑量子信息等各种可能的应用场景中的应用潜力，并提供了一个石墨烯纳米带领域未来发展的技术路线图。

图3.在可扩展的和技术相关衬底上的化学气相沉积合成和外延

到目前为止，石墨烯纳米带电子学仍处于实验室探索阶段。本综述列出了石墨烯纳米带在材料合成、器件设计和电路集成方面的主要挑战，并概述了可能的解决方案。然而，该路线图只是石墨烯纳米带研究和开发的基础性指南，因为在这个阶段，它有许多技术和时间上的不确定性。在石墨烯纳米带开发过程中，对其进行技术评估至关重要。因为在经典或量子方案下，石墨烯纳米带必须显示出比其他技术更高的性能优势。由于电子技术要求对整个制造过程进行绝对控制，因此，只有在大多数材料和设备挑战得到解决时，才能从基础实验室研究过渡到工业开发。在这个阶段，可靠性、过程兼容性和可扩展性将成为主要挑战。

图4.基于石墨烯纳米带提出的六种器件结构。

石墨烯纳米带是半导体技术和量子信息领域非常有前途的材料。尽管在合成、器件和集成方面仍然存在挑战，但石墨烯纳米带在未来的经典和量子电子学中提供了许多机会。

特别是，自底向上的合成和模板晶体衬底上的外延为满足材料要求提供了有希望的解决方案。石墨烯纳米带的优化实现了不同的晶体管构建模块：用于通道的半导体石墨烯纳米带和用于互连的准金属石墨烯纳米带。一种方法是通过形成原子阶梯异质结构在石墨烯纳米带中实现无缝接触，其中宽石墨烯纳米带（准金属或小间隙）可作为宽间隙一维段的最佳电接触。对于功能性纳米器件，非常需要沿带状长度具有受控顺序和界面位置的石墨烯纳米带异质结，特别是对于拓扑保护结状态。通过采用分层制造策略，实现了具有优先单异质结的自底向上石墨烯纳米带。同时，需要在良好控制密度和对准的情况下制造单手性石墨烯纳米带阵列的方法，这将进一步提高晶体管性能。单片三维集成和异质集成将利用石墨烯纳米带的承诺，提供块体半导体以外的封装密度和能源效率。

此外，学术界还需要探索新的器件概念，包括在量子计算中可能有用的自旋电子学和拓扑器件。现在人们普遍认识到，纠缠和相干为新的量子信息系统革命提供了基本资源，量子信息系统革命在量子计算、网络和传感等领域有着广泛的实际应用。通过精确定位缺陷或结以捕获电子态，可以创建单光子和纠缠光子发射器，而超晶格中受控制的局部几何结构可以导致拓扑保护的自旋中心。因此，在石墨烯纳米带超晶格中创造量子比特、量子自旋链和新的一维能带结构是可能的。这种策略使石墨烯纳米带成为拓扑纳米器件和量子计算机的一种有前途的材料系统，具有显著增强的相干和纠缠。

在开发的每个阶段都需要具体的建模工作，例如，适当的掺杂、缺陷和边缘修饰、接触设计和环境耦合，如电子-电子、电子-声子和较大偏压下的失衡效应。利用密度泛函理论和自洽非平衡格林函数理论，发展了高精度量子输运码。最近，它得到了显著增强并适应了高性能计算机体系结构，现在能够在模拟的“有源器件”部分处理10000多个原子，这意味着全量子传输模拟中可以包括多个电极。利用自洽非平衡格林函数方法，计算基于石墨烯纳米带异质结的传统双势垒共振隧穿二极管模型中的负微分电阻，揭示了原子尺度上的重要问题；这些问题可以通过使用实验制备的多组分石墨烯纳米带异质结构来解决。对石墨烯纳米带 T形和异质结的第一性原理量子输运模拟表明，这些全碳结是纳米电子器件的一个有希望的候选材料。提出了由两个交叉石墨烯纳米带组成的四端电子器件来实现电子分束器，这在扭曲电子学中显示了重要性。这些最先进的计算方法可以指导基于石墨烯纳米带的新型量子纳米电子器件的设计。

正如实现对半导体物理和电子特性的控制在信息时代的崛起中起着至关重要的作用，量子信息领域应用成功的关键在于实现合理设计结构定义电子的材料，自旋和光子进入相干和纠缠态，以独特的方式携带能量和信息。这将使能源的高效传输、量子信息处理和计算、超灵敏传感器和低功耗电子产品成为可能。文章相信，在合成化学家、物理学家、材料科学家和电子工程师组成的跨学科团体的协同努力下，石墨烯纳米带研究必将在不久的将来从实验室研究走向推向主流工业应用。

参考文献：

Haomin Wang, Hui Shan Wang, Chuanxu Ma, Lingxiu Chen, Chengxin Jiang, Chen Chen, Xiaoming Xie, An-Ping Li and Xinran Wang, “Graphene nanoribbons for quantum electronics”, Nature Reviews Physics (2021).