中國粉體網(wǎng)訊 石墨烯納米帶(GNR)是一種準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),其能夠開啟帶隙。該特性使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隊首次在六角氮化硼(h-BN)表面制備出手性可控的GNR并進行輸運性質(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,王浩敏團隊通過引入硅烷進行氣相催化,在h-BN表面實現(xiàn)石墨烯晶疇的快速生長(Nat. Commun. 6,6499 (2015))和邊界調(diào)控(Nanoscale,9,11475(2017));首次通過采用h-BN溝槽作為生長模板,實現(xiàn)取向GNR的可控生長,開啟帶隙(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奠定實驗基礎(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)外延生長方式,制備得到的GNR邊緣原子級平整。進一步的電輸運測量結(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關(guān)比大于105,載流子遷移率高于1500cm2 V-1 s-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中未觀測到。GNR的磁輸運研究表明,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新途徑。
該研究工作的第一單位為上海微系統(tǒng)所,上海微系統(tǒng)所博士生王慧山和陳令修、維也納大學(xué)博士Kenan Elibol、華中科技大學(xué)賀立為論文的共同第一作者,王浩敏和Jannik Meyer為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金面上項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)和上海市自然科學(xué)基金的資助。
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/Betty)
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