手性可控石墨烯納米帶制備成功

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關于六角氮化硼(h-BN)的研究取得新進展，首次在其表面成功制備出手性可控的石墨烯納米帶(GNR)，并進行了輸運性質研究。

GNR是一種準一維的石墨烯納米結構，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，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難題。

王浩敏團隊發現，h-BN是一種具有優異的化學和熱穩定性的寬帶隙二維材料，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，是可以保持GNR本征電學性質的理想襯底，并展開研究。

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

在這項研究中，團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，通過化學氣相沉積法在溝槽中制備出寬度小于5 nm的高質量取向可控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邊界處的面內外延生長方式，并且制備得到的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 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的轉移曲線中觀察到明顯的電導峰，而在大多數AGNR中卻沒有觀測到。同時，GNR的磁輸運研究表明，ZGNR具有較小的磁導，而AGNR具有更高的磁導值。

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復雜納米集成電路提供了的新途徑。