石墨烯是一種由單層碳原子以蜂窩狀排列而成的二維晶體，具有獨特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性質(zhì)，自2004年首次實驗發(fā)現(xiàn)以來，就一直是科學(xué)研究的前沿和熱點，并被期待用于未來高性能電子器件。然而，盡管石墨烯具有超高的載流子遷移率，但是本征石墨烯沒有能隙，難以直接用來制作晶體管器件。
3月28日，深圳理工大學(xué)（籌）丁峰教授團隊與上海交通大學(xué)史志文教授、以色列特拉維夫大學(xué)Michael Urbakh教授、武漢大學(xué)歐陽穩(wěn)根教授合作于Nature期刊發(fā)表了題為Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics的最新成果。(點擊文末“閱讀原文”閱讀論文）該研究開發(fā)了一種生長石墨烯納米帶的全新方法，成功實現(xiàn)了超高質(zhì)量石墨烯納米帶在氮化硼層間的嵌入式生長，形成“原位封裝”的石墨烯納米帶結(jié)構(gòu)，并演示了所生長的石墨烯納米帶可用于構(gòu)建高性能場效應(yīng)晶體管器件。
由于石墨烯納米帶的低維屬性，其電子輸運行為對周圍環(huán)境非常敏感。為了提高低維材料器件性能，人們嘗試了多種方法來減少環(huán)境無序效應(yīng)。迄今為止最成功的方法是六方氮化硼（hBN）封裝法，hBN是一種原子級平整的寬帶隙二維層狀絕緣體，多項研究表明被hBN封裝的低維材料器件性能顯著提升。然而，已有的機械封裝法效率很低，目前僅能用于科研領(lǐng)域，難以滿足未來先進微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。
針對以上挑戰(zhàn)，聯(lián)合團隊開發(fā)出一種全新的制備方法，實現(xiàn)了石墨烯納米帶在hBN層間的嵌入式生長，形成“原位封裝”的石墨烯納米帶。
研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯納米帶具有多種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特征，包括統(tǒng)一的邊緣結(jié)構(gòu)，小于5納米的寬度，以及亞毫米量級的長度。這一研究的成功主要是因為hBN層間石墨烯的超潤滑特性，即滑動時摩擦力幾乎可以忽略。由于這種高質(zhì)量石墨烯納米帶在生長的同時就被hBN“原位封裝”，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可以免受外界環(huán)境因素和微納加工的影響，納米帶場效應(yīng)晶體管展現(xiàn)出優(yōu)異的電子輸運性能：如載流子遷移率達4,600cm2V–1s–1，開關(guān)比可達106。
層間石墨烯納米帶的生長是通過鐵（Fe）納米顆粒催化的化學(xué)氣相沉積（CVD）法實現(xiàn)的。在高溫作用下，F(xiàn)e納米顆粒會附著在多層hBN的邊緣臺階處。在這里，甲烷分子會在Fe催化劑表面裂解出碳原子，隨后這些碳原子會溶解到納米顆粒中，當納米顆粒中的碳含量過飽合后，石墨烯納米帶會在Fe納米顆粒與多層hBN的界面形核并同時嵌入hBN層間。這些一維納米帶可以直接通過掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）觀察到。高分辨掃描透射電子顯微鏡（STEM）截面圖像表明，鑲嵌在hBN層間的納米帶寬度為3-5納米，對應(yīng)的能隙大小約為0.2-0.6 eV。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，在層間生長的石墨烯納米帶長度可達亞毫米量級，遠大于以往的研究結(jié)果。結(jié)合其亞5納米的寬度，層間納米帶的長寬比達到了105，比以往的結(jié)果至少大兩個數(shù)量級。更重要的是，層間納米帶的具有統(tǒng)一的鋸齒型（zigzag）邊緣手性。統(tǒng)計結(jié)果表明，zigzag納米帶的純度隨長度上升，且長度在20微米以上的納米帶全部為zigzag手性。理論上zigzag納米帶邊緣存在自旋極化拓撲邊緣態(tài)，對自旋電子學(xué)和自旋量子計算器件具有潛在的應(yīng)用前景。
為了揭示六方氮化硼層間超長zigzag石墨烯納米帶的生長機理，聯(lián)合團隊密切合作，發(fā)現(xiàn)石墨烯納米帶在hBN層間的摩擦力顯著小于在其表面的摩擦力，這解釋了hBN層間生長的納米帶長度遠超以往在hBN表面生長結(jié)果的反直覺現(xiàn)象。相對于其他手性的納米帶，zigzag納米帶可以在層間進行近乎無摩擦的滑動，最終導(dǎo)致了石墨烯納米帶的手性選擇性生長。基于石墨烯納米帶在多層hBN中插層所需要克服的能壘以及石墨烯納米帶插入hBN所造成的彈性形變，研究人員估算出了石墨烯納米帶寬度的上限與下限，理論結(jié)果跟實驗測量一致，解釋了超窄石墨烯納米帶的生長機制。
由于所生長的石墨烯納米帶被絕緣hBN“原位封裝”，免受器件加工過程中雜質(zhì)吸附、氧化、環(huán)境污染和光刻膠接觸的影響，所以理論上可獲得極高性能納米帶電子器件。研究人員基于層間生長的納米帶制備了場效應(yīng)晶體管（FET）器件，測量結(jié)果表明，石墨烯納米帶FETs都表現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體器件的電學(xué)輸運特性，室溫下的開關(guān)比可達106。更值得關(guān)注的是，器件的載流子遷移率高達4,600 cm2V–1s–1，顯著超越以往報道的所有結(jié)果。
這些出色的性能表明層間石墨烯納米帶有望在未來的高性能碳基納米電子器件中扮演重要的角色。本研究向微電子領(lǐng)域先進封裝架構(gòu)的原子制造邁出了關(guān)鍵一步，預(yù)計將對碳基納米電子學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。
史志文、Michael Urbakh、丁峰和歐陽穩(wěn)根為論文的共同通訊作者，本工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委的資助。
圖1為石墨烯納米帶層間嵌入式生長的示意圖和電子顯微鏡表征
圖2為手性統(tǒng)一的超長石墨烯納米帶
圖3為氮化硼層間石墨烯納米帶嵌入式生長機理
圖4為基于原位封裝石墨烯納米帶的高性能場效應(yīng)晶體管
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