Nature Materials：六方氮化硼表面的石墨烯納米帶手性可控制備

Materials_1219 3年前 (2020-10-02) 4717瀏覽

【引言】

GNR是準一維石墨烯納米結構，根據邊界結構不同可以表現出準金屬性或半導體性。GNR的獨特電學性質使其可能在未來納米電子技術中得到廣泛應用。GNR可以根據邊界結構的不同分為鋸齒型（ZZ）和扶手椅型（AC）。ZZ GNR（ZGNR）展現出鐵磁性和半金屬性等奇特的電學特性，而理論計算表明AC GNR（AGNR）具有半導體特性，其帶隙大小與其寬度成反比。ZGNR和AGNR都具有不同的電子態和散射特性以及獨特的化學特性，而且其性質會受到邊界修飾的影響。最近研究表明石墨烯與h-BN通過范德華堆垛和平面共價鍵結合形成異質結時，其化學/機械穩定性方面可以展現出明顯優勢，有可能出現與單獨的石墨烯或h-BN不同的新奇電學性質。然而，實現手性可控的GNRs異質結構制備仍然面臨諸多挑戰。

【成果簡介】

近日，中科院上海微系統與信息技術研究所王浩敏研究員、奧地利維也納大學Jannik C. Meyer教授（共同通訊作者）等人共同開發了一種兩步生長法，成功制備嵌入h-BN中的亞5 nm寬ZGNR和AGNR。輸運測量表明亞7 nm的ZGNR的帶隙大小與其寬度成反比，而較窄的AGNR的帶隙-寬度關系表現出波動性。在8-10 nm寬的ZGNR的傳輸曲線中觀察到明顯的電導峰，但是在大多數AGNR中卻沒有出現。同時磁輸運研究表明ZGNR展現出較小的磁導率，但是AGNR具有較高的磁導率。h-BN表面嵌入式手性可控GNR的成功制備為復雜納米集成電路提供了的新途徑。相關成果以“Towards chirality control of graphene nanoribbons embedded in hexagonal boron nitride”為題發表在Nature Materials上。

【圖文導讀】

圖 1 嵌入h-BN的取向GNRs的合成方法

（a）在h-BN中嵌入的ZGNR和AGNR的示意圖；

（b）特定取向的GNR的合成方法。

圖 2 嵌入h-BN頂層具有特定邊界的納米溝槽和GNR

（a，c）納米粒子選擇性刻蝕后的亞5 nm寬ZZ（a）和AC（c）的納米溝槽的三維AFM高度圖像；

（b，d）亞5 nm超窄ZGNR（b）和AGNR（d）的三維AFM高度圖像。

圖 3 h-BN上GNR器件的電學輸運特性

（a）不同溫度時，~5 nm寬AGNR器件的電導率（G）與背柵電壓（Vgate）的關系圖；

（b）不同Vgate值時，在25-300 K區間內AGNR 器件電阻與溫度的關系圖；

（c）~4.8 nm寬的AGNR的電學輸運結果；

（d）300 K時，AGNR器件在Vgate為-25-25 V時的ISD-VSD特性曲線；

（e）GNR帶隙大小（Eg）與寬度（w）的關系圖；

（f）GNR器件的遷移率和MFP與寬度的變化關系圖。

?圖 4 h-BN表面寬GNR的場效應和磁電特性

（a）不同溫度下，~8.9 nm寬的ZGNR樣品的典型轉移曲線圖；

（b）不同溫度下，~9.5 nm寬的AGNR樣品的典型轉移曲線圖；

（c）根據電導率峰值的特征，區分不同邊界GNR的類型分布的餅圖；

（d）4 K時，不同Vgate值下ZGNR樣品的歸一化磁導率圖；

（e）2 K時，不同Vgate值下AGNR樣品的歸一化磁導率圖；

（f）不同寬度的GNR在不同Vgate時的歸一化磁導率分布。

【小結】

該工作報道了絕緣h-BN頂層原子層中取向可控的GNRs制備。本方法結合傳統的自上向下（h-BN層的取向刻蝕）和自下向上（GNR模板生長）方法，實現了在二維絕緣h-BN表面的面內無縫拼接GNR制備，并且GNR可以保持其獨特的電學性質。此方法不會改變h-BN的機械強度、柔韌性和光學透明性等性質，因此可以用于具有柔性、透明等要求的電子產品。輸運測量表明，ZGNRs和AGNRs表現出明顯的電導率和磁導率差異。在高質量絕緣襯底上的半導體GNR制備為原子級厚度的超大規模集成電路制備奠定了基礎。ZGNR與超導體的接觸會表現出拓撲電子態，可能在量子計算中得到應用。

文獻鏈接Towards chirality control of graphene nanoribbons embedded in hexagonal boron nitride（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-020-00806-2）。

【通訊作者/團隊簡介】

王浩敏，男，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員。

2009年于新加坡國立大學電氣與電腦工程系獲博士學位。2011年加入信息功能材料國家重點實驗室，現任研究員。團隊瞄準石墨烯研究的國際前沿，圍繞石墨烯在微電子應用面臨的主要科學問題進行持續創新，探索其微電子學應用的發展方向及技術路線，拓展其在集成電路、計量等領域的應用，在石墨烯納米帶制備及其器件方面形成特色鮮明的系統研究。在Nat. Mater., Nat. Comm., Nano Lett., ACS Nano, Nanoscale, APL等刊物上發表論文39余篇，總它引5100次。作為負責人和項目骨干承擔國家重大專項、國家自然科學基金、中科院重點部署項目、中科院戰略性先導專項項目課題、國家重點研發計劃項目和上海市科委項目等多項科研項目。曾獲得上海市自然科學獎一等獎（第二完成人）。

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