上海微系統所等在六角氮化硼溝槽中成功製備石墨烯納米帶

2020-12-05 中國科學院

　　中國科學院上海微系統與信息技術研究所在石墨烯納米帶可控制備研究中取得新進展。信息功能材料國家重點實驗室研究員王浩敏團隊在國際上首次通過模板法在六角氮化硼溝槽中實現石墨烯納米帶可控生長，成功打開石墨烯帶隙，並在室溫下驗證了其優良的電學性能，為研發石墨烯數字電路提供了一種可能的技術路徑。該研究結果發表在3月9日的《自然-通訊》雜誌上 (L. Chen, et al, Oriented graphene nanoribbons embedded in hexagonal boron nitride trenches, Nature Communications, 8, 14703，DOI: 10.1038/ncomms14703 (2017))。該項研究提出的石墨烯納米帶製備方法已經獲得中國和美國發明專利。

　　研究人員首先通過金屬納米顆粒刻蝕六角氮化硼單晶襯底，切割出單原子層厚度、邊緣平直且沿鋸齒型(Zigzag)方向、寬度具有一定可控性的納米溝槽，然後通過化學氣相沉積法在溝槽中製備出長度達到數微米且寬度小於10納米的高質量石墨烯納米帶。實驗結果表明，石墨烯在溝槽內通過臺階外延方式生長，與最頂層六角氮化硼形成晶格連續的面內異質結。研究人員製備了基於石墨烯納米帶的場效應電晶體，亞5nm器件在常溫下的電流開關比大於104，載流子遷移率約為750 cm2/Vs，從電學測量中提取的電學輸運帶隙約為0.5eV，可以滿足數字電路研發的基本要求。

　　石墨烯是一種由單層碳原子組成的二維原子晶體，具有優異的物理、化學和電學特性。然而本徵石墨烯材料帶隙為零，限制了其在微納電子器件，特別是數字電路中的應用。製備石墨烯納米帶打開能帶帶隙是一種非常有潛力的方法，然而傳統石墨烯納米帶製備方法在寬度和邊界手性控制方面存在困難，同時還面臨需要轉移的缺點。該研究在六角氮化硼單晶這一石墨烯理想襯底上驗證了一種免轉移，且寬度和邊界可控的技術線路，為進一步探索與CMOS集成電路兼容的石墨烯邏輯電路提供了一個重要平臺。

　　邊界可控是製備實用化石墨烯邏輯器件的重要前提，該項研究通過多種實驗手段初步證實製備的納米帶為純鋸齒型邊界結構，獲得原子級別元素分辨的直接證據的研究正在進行之中。

　　該項研究得到了國家科技部02重大專項「晶圓級石墨烯電子材料與器件研究」（2011ZX02707）等項目的支持。該項研究的合作單位包括上海科技大學、華中科技大學、中南大學、新加坡南洋理工大學、復旦大學和中科院上海技術物理研究所。

 

上海微系統所等在六角氮化硼溝槽中成功製備石墨烯納米帶

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