上海微系統(tǒng)所等制備出手性可控的石墨烯納米帶

發(fā)布：cyqdesign 2020-09-24 11:25 閱讀：1130

石墨烯納米帶（GNR）是一種準(zhǔn)一維的石墨烯納米結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可表現(xiàn)出準(zhǔn)金屬或半導(dǎo)體特性。該特性取決于GNR的手性，包括寬度、晶格取向和邊緣結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的邊緣結(jié)構(gòu)，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，且由于量子限域和邊緣效應(yīng)，其能夠開(kāi)啟帶隙。該特性使GNR有望成為包括納米尺度場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自旋電子器件和片內(nèi)互連線在內(nèi)的候選材料。但在絕緣襯底表面，可控地制備具有邊緣特異性的亞5納米寬的GNR仍是難題。

近日，中國(guó)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(duì)首次在六角氮化硼（h-BN）表面制備出手性可控的GNR并進(jìn)行輸運(yùn)性質(zhì)研究。相關(guān)研究成果以Towards Chirality Control of Graphene Nanoribbons Embedded in Hexagonal Boron Nitride為題，在線發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）上。

h-BN是一種具有優(yōu)異化學(xué)和熱穩(wěn)定性的寬帶隙二維材料，其具有六角蜂窩網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)和原子級(jí)平整的表面，不存在表面懸掛鍵和陷阱電荷，是可保持GNR本征電學(xué)性質(zhì)的理想襯底。

此前，王浩敏團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入硅烷進(jìn)行氣相催化，在h-BN表面實(shí)現(xiàn)石墨烯晶疇的快速生長(zhǎng)（Nat. Commun. 6，6499 (2015)）和邊界調(diào)控（Nanoscale，9，11475(2017)）；首次通過(guò)采用h-BN溝槽作為生長(zhǎng)模板，實(shí)現(xiàn)取向GNR的可控生長(zhǎng)，開(kāi)啟帶隙（Nat. Commun. 8，14703 (2017)）。上述研究為在h-BN襯底上制備亞5納米寬的手性可控的GNR奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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(guò)化學(xué)氣相沉積法在溝槽中制備出寬度小于5納米的高質(zhì)量取向可控GNR。研究人員與維也納大學(xué)教授Jannik Meyer課題組合作，借助掃描透射電子顯微鏡，揭示石墨烯和h-BN邊界處的面內(nèi)外延生長(zhǎng)方式，制備得到的GNR邊緣原子級(jí)平整。進(jìn)一步的電輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果表明，所有亞5納米寬度的ZGNR均顯示出大于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制成的晶體管在室溫下的開(kāi)關(guān)比大于10⁵，載流子遷移率高于1500cm²V^-1s^-1。此外，在8-10納米寬的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中未觀測(cè)到。GNR的磁輸運(yùn)研究表明，ZGNR具有較小磁導(dǎo)，而AGNR具有更高磁導(dǎo)值。

該研究首次將手性可控的GNR面內(nèi)集成在h-BN晶格中，是面向開(kāi)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(shí)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新途徑。

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