中科院上海微系統所等：製備出手性可控的石墨烯納米帶

2020-10-03 材料分析與應用

石墨烯納米帶（GNR）是一種準一維的石墨烯納米結構，根據結構不同可表現出準金屬或半導體特性。該特性取決於GNR的手性，包括寬度、晶格取向和邊緣結構。根據不同的邊緣結構，GNR可分為「鋸齒型」（ZZ）和「扶手椅型」（AC）。GNR具有高遷移率和載流能力，且由於量子限域和邊緣效應，其能夠開啟帶隙。該特性使GNR有望成為包括納米尺度場效應電晶體、自旋電子器件和片內互連線在內的候選材料。但在絕緣襯底表面，可控地製備具有邊緣特異性的亞5納米寬的GNR仍是難題。

近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員王浩敏團隊首次在六角氮化硼（h-BN）表面製備出手性可控的GNR並進行輸運性質研究。相關研究成果以Towards Chirality Control of Graphene Nanoribbons Embedded in Hexagonal Boron Nitride為題，在線發表在《自然-材料》（Nature Materials）上。

h-BN是一種具有優異化學和熱穩定性的寬帶隙二維材料，其具有六角蜂窩網狀晶體結構和原子級平整的表面，不存在表面懸掛鍵和陷阱電荷，是可保持GNR本徵電學性質的理想襯底。

此前，王浩敏團隊通過引入矽烷進行氣相催化，在h-BN表面實現石墨烯晶疇的快速生長（Nat. Commun. 6，6499 (2015)）和邊界調控（Nanoscale，9，11475(2017)）；首次通過採用h-BN溝槽作為生長模板，實現取向GNR的可控生長，開啟帶隙（Nat. Commun. 8，14703 (2017)）。上述研究為在h-BN襯底上製備亞5納米寬的手性可控的GNR奠定實驗基礎。

研究人員利用不同金屬納米顆粒在h-BN表面刻蝕出邊緣平直且沿特定取向（ZZ和AC）的具有單原子層厚度的溝槽，通過化學氣相沉積法在溝槽中製備出寬度小於5納米的高質量取向可控GNR。研究人員與維也納大學教授Jannik Meyer課題組合作，藉助掃描透射電子顯微鏡，揭示石墨烯和h-BN邊界處的面內外延生長方式，製備得到的GNR邊緣原子級平整。進一步的電輸運測量結果表明，所有亞5納米寬度的ZGNR均顯示出大於0.4eV的帶隙，而窄的AGNR的帶隙隨寬度變化較大。由帶隙較大的GNR製成的電晶體在室溫下的開關比大於10^5，載流子遷移率高於1500cm2 V-1 s-1。此外，在8-10納米寬的ZGNR的轉移曲線中觀察到明顯的電導峰，而在大多數AGNR中未觀測到。GNR的磁輸運研究表明，ZGNR具有較小磁導，而AGNR具有更高磁導值。

該研究首次將手性可控的GNR面內集成在h-BN晶格中，是面向開發具有原子層厚度的高性能集成電路邁出的重要一步，為實現操控和堆垛具有極薄厚度的複雜納米集成電路提供新途徑。

該研究工作的第一單位為上海微系統所，上海微系統所博士生王慧山和陳令修、維也納大學博士Kenan Elibol、華中科技大學賀立為論文的共同第一作者，王浩敏和Jannik Meyer為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目、中科院戰略性先導科技專項（B類）和上海市自然科學基金的資助。

圖1.嵌入h-BN中手性可控的GNR製備方法


圖2.嵌入h-BN的特定取向納米溝槽和不同手性GNR


文獻：Towards chirality control of graphene nanoribbons embedded in hexagonal boron nitride


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