随着现代集成电路技术不断逼近摩尔定律的物理极限，芯片制程已深入至原子尺度。在这一极致微观的领域，传统的硅基材料与“自上而下”的微纳加工工艺正面临严峻挑战：材料的每一个原子排布都决定着器件的性能。寻找能够实现原子级精准控制的新型半导体材料，成为了延续算力增长的关键。

为了突破这一瓶颈，将石墨烯裁剪为准一维的“石墨烯纳米带”（GNRs）成为了一种极具潜力的解决方案。然而，传统的“自上而下”手段难以达到原子级的加工精度，往往导致边缘粗糙和缺陷，严重散射电子。针对这一难题，科学家们另辟蹊径，发展了“自下而上”的化学合成策略。这种方法如同在微观世界中“搭积木”，利用小分子前驱体进行原子级别的精准组装，成功实现了对纳米带宽度和边缘结构的极致控制。这种原子级的制造精度不仅精确打开了石墨烯的带隙，更解锁了自旋极化边缘态等传统材料无法企及的量子特性，标志着芯片材料的制造能力已真正触达原子极限。

在此科学背景下，近日，《Nature Reviews Materials》刊发了题为“Bottom-up synthesized graphene nanoribbons for nanoelectronics”的综述文章。该文章由国家纳米科学中心张健研究员、瑞士联邦材料科学与技术实验室Roman Fasel教授、Michel Calame教授、Gabriela Borin Barin博士以及苏黎世联邦理工学院Mickael Perrin教授等共同完成。文章系统性地梳理了原子级精确GNRs从化学合成到高性能电子器件集成的最新进展，为下一代碳基纳米电子学和量子技术的发展绘制了清晰的路线图。

图1. 原子级精确石墨烯纳米带量子器件

    尽管合成技术已取得突破，但将这些仅有1-2纳米宽的分子带集成到功能性电子器件中仍面临巨大挑战。文章详细回顾了器件集成过程中的核心要素，包括接触几何、栅极结构和沟道设计。为了实现高性能场效应晶体管，研究人员开发了多种接触策略，从金属接触演进到石墨烯或碳纳米管接触，以优化电荷传输 。特别是近年来，基于CVD技术在绝缘氮化硼基底上直接生长超长GNRs的突破，使得无需转移步骤即可构建器件，从而避免了污染并实现了极高的载流子迁移率，展现了其在低功耗逻辑电路中的巨大应用潜力 。

    除了经典的晶体管应用，该综述特别强调，原子级精确的GNRs不仅是后摩尔电子学的有力候选者，更是下一代量子技术的理想平台 。与传统半导体量子点或碳纳米管相比，GNRs展现了独一无二的 “化学可编程性”——科学家可以通过底层化学合成，精确定义量子点的位置、大小以及它们之间的耦合强度，这种原子级的控制力是其他材料难以企及的。得益于极弱的自旋轨道耦合和超精细相互作用，GNRs赋予了电子自旋超长的相干时间，使其成为构建自旋量子比特的理想载体。综述指出，通过在纳米带中集成双量子点或多量子点结构，可以实现对电荷和自旋态的精准操控，这是迈向逻辑量子门的必经之路 。

    更为激动人心的是 GNRs 在高温自旋电子学中的潜力。文章重点讨论了基于化学设计合成的“自旋链”结构，由于能将自旋中心精确控制在几纳米的距离内，GNRs内部的磁交换耦合能量可超过 100 meV，远高于室温热能 。这意味着，基于 GNR 的自旋器件有望摆脱对极低温环境的依赖，实现室温下的量子操作，为非低温量子计算开辟了新路径 。

除了计算领域，GNRs在能源与基础物理前沿也展现了惊人的前景。受益于其高达 500 meV 的巨大充电能和锐利的能级结构，GNRs 可作为高效的量子热机，在接近热力学极限的效率下进行能量转换 。在拓扑物理方面，综述探讨了利用 GNR 异质结实现的拓扑边界态，这些受保护的量子态对无序和散射具有天然的免疫力，为容错量子计算提供了坚实的物理基础 。此外，当 GNRs嵌入氮化硼晶格时，微小的晶格失配会形成一维莫尔超晶格，这为探索非常规超导或磁性等强关联量子相提供了一个前所未有的实验平台 。

综述最后总结道，原子级 GNRs 提供了一个将“化学合成的精准度”与“量子器件的复杂性”完美结合的独特机会 。随着洁净转移技术和表面钝化工艺的成熟，GNRs有望从实验室的微观奇观，转变为驱动未来量子计算机、超灵敏传感器和高效能转换器的核心引擎 。

    原文链接：https://doi.org/10.1038/s41578-025-00880-5