手性可控石墨烯納米帶制備成功

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員王浩敏團(tuán)隊關(guān)于六角氮化硼(h-BN)的研究取得新進(jìn)展，首次在其表面成功制備出手性可控的石墨烯納米帶(GNR)，并進(jìn)行了輸運(yùn)性質(zhì)研究。

GNR是一種準(zhǔn)一維的石墨烯納米結(jié)構(gòu)，不僅具有高遷移率和載流能力，而且由于量子限域和邊緣效應(yīng)，能夠開啟帶隙。這些特性使GNR有望成為包括納米尺度場效應(yīng)晶體管、自旋電子器件等的候選材料。然而，在絕緣襯底表面，可控地制備具有鋸齒型或扶手椅型兩類邊緣特異性的亞5 nm寬的GNR仍是一個棘手的科學(xué)難題。

王浩敏團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，h-BN是一種具有優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性的寬帶隙二維材料，具有六角蜂窩網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)和原子級平整的表面，不存在表面懸掛鍵和陷阱電荷，是可以保持GNR本征電學(xué)性質(zhì)的理想襯底，并展開研究。

此前，該團(tuán)隊通過引入硅烷進(jìn)行氣相催化，在h-BN表面成功實現(xiàn)了石墨烯晶疇的快速生長和邊界調(diào)控，并首次通過采用h-BN溝槽作為生長模板，實現(xiàn)了取向GNR的可控生長，成功開啟帶隙。

在這項研究中，團(tuán)隊成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的具有單原子層厚度的溝槽，然后，通過化學(xué)氣相沉積法在溝槽中制備出寬度小于5 nm的高質(zhì)量取向可控GNR。通過與國外課題組合作，借助掃描透射電子顯微鏡揭示了石墨烯和h-BN邊界處的面內(nèi)外延生長方式，并且制備得到的GNR邊緣原子級平整。

進(jìn)一步的電輸運(yùn)測量結(jié)果表明，所有亞5 nm寬度的鋸齒型GNR(ZGNR)都顯示出大于0.4 電子伏特的帶隙，而窄的扶手椅型GNR(AGNR)的帶隙隨寬度變化較大。由帶隙較大的GNR制成的晶體管在室溫下的開關(guān)比大于105，載流子遷移率高于1 500 cm2/(V·s)電子。此外，在8～10 nm寬的ZGNR的轉(zhuǎn)移曲線中觀察到明顯的電導(dǎo)峰，而在大多數(shù)AGNR中卻沒有觀測到。同時，GNR的磁輸運(yùn)研究表明，ZGNR具有較小的磁導(dǎo)，而AGNR具有更高的磁導(dǎo)值。

專家表示，該研究成果是首次成功將手性可控的石墨烯納米帶面內(nèi)集成在h-BN晶格中，是面向開發(fā)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(xiàn)操控和堆垛具有極薄厚度的復(fù)雜納米集成電路提供了的新途徑。