中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體所在基于石墨烯的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究方面取得進(jìn)展。研究人員把一個紙帶旋轉(zhuǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)�；�于其特殊的拓?fù)湫再|(zhì)，莫比烏斯帶在工業(yè)和藝術(shù)上有著重要的應(yīng)用，例如，因?yàn)榭梢酝瑫r(shí)使用帶子的兩個面，具有莫比烏斯結(jié)構(gòu)的傳送帶可以使用更長時(shí)間。

    只有一個碳原子層厚度的石墨烯展現(xiàn)出豐富的物理性質(zhì)，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(nèi)，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(wěn)定存在？這類莫比烏斯帶具有什么樣的結(jié)構(gòu)特征？

    固體所王賢龍博士和導(dǎo)師曾雉研究員利用第一性原理方法對這一問題進(jìn)行了深入的研究。他們的研究結(jié)果顯示，石墨烯納米帶可以形成穩(wěn)定的莫比烏斯結(jié)構(gòu)，莫比烏斯帶的結(jié)構(gòu)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(yīng)變出現(xiàn)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(qū)域會越來越擴(kuò)展，合成莫比烏斯結(jié)構(gòu)所需的能量也越來越高。當(dāng)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(jié)構(gòu)。

    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(nèi)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(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)中只有一個邊存在，并且邊內(nèi)的鐵磁耦合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于兩邊之間的反鐵磁耦合強(qiáng)度所致。

    由于石墨烯的莫比烏斯帶具備石墨烯優(yōu)良的物理性質(zhì)、特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及鐵磁耦合的邊緣態(tài)，因此有望應(yīng)用于微電子學(xué)、自旋電子學(xué)和光學(xué)等領(lǐng)域。

    上述研究成果的論文在Appl. Phys. Lett. 97,123103 (2010)發(fā)表后，很快被NPG Asia Materials作為Featured Highlight，以標(biāo)題Nanoelectronics: Graphene with a twist報(bào)道。

    此工作得到了國家自然科學(xué)基金(10774148，10904148)和國家重大科學(xué)研究計(jì)劃（973項(xiàng)目）（2007CB925004）的資助。