史志文团队Nature发文：超高质量石墨烯纳米带助力碳基纳米电子学
近日，上海交通大学物理与天文学院史志文教授团队与合作者在Nature上发表题为“Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics”的研究论文。该研究开发了一种生长石墨烯纳米带的全新方法，成功实现了超高质量石墨烯纳米带在氮化硼层间的嵌入式生长，形成“原位封装”的石墨烯纳米带结构，并演示了所生长的石墨烯纳米带可用于构建高性能场效应晶体管器件。
论文导读
石墨烯是一种由单层碳原子以蜂窝状排列而成的二维晶体，具有独特的电子结构和优异的性质，自2004年首次实验发现以来，就一直是科学研究的前沿和热点，并被期待用于未来高性能电子器件。然而，尽管石墨烯具有超高的载流子迁移率，但是本征石墨烯没有能隙，难以直接用来制作晶体管器件。相比之下，准一维的石墨烯纳米条带则因量子限域效应而打开能隙，且能隙大小可通过纳米带宽度和边缘结构来调控，有望成为未来高性能电子器件与芯片的理想候选材料，受到学术界和产业界的共同关注。
有鉴于此，科研人员投入了大量精力研究石墨烯纳米带的制备，尽管目前已经发展了多种制备石墨烯纳米带的方法，但在可用于半导体器件的高质量石墨烯纳米带的制备问题一直没有解决。特别地，已制备出的石墨烯纳米带的载流子迁移率均远低于理论值。此差异一方面来自于石墨烯纳米带的结构缺陷，另一方面来自于纳米带周围环境的无序。由于石墨烯纳米带的低维属性，其电子输运行为对周围环境非常敏感。为了提高低维材料器件性能，人们尝试了多种方法来减少环境无序效应。迄今为止最成功的方法是六方氮化硼（hBN）封装法。hBN是一种原子级平整的宽带隙二维层状绝缘体。多项研究表明被封装的低维材料器件性能显著提升。然而，已有的机械封装法效率很低，目前仅能用于科研领域，难以满足未来先进微电子产业发展的需要。
针对以上挑战，上海交通大学史志文教授团队开发出一种全新的制备方法，实现了石墨烯纳米带在hBN层间的嵌入式生长，形成“原位封装”的石墨烯纳米带。研究发现，该纳米带具有多种优异的结构特征，包括统一的手性结构，小于5纳米的宽度，以及亚毫米量级的长度。这些结构特征主要来源于hBN层间的超润滑特性（近零摩擦损耗）。由于这种高质量石墨烯纳米带在生长的同时就被氮化硼“原位封装”，其结构和性质可以免受外界环境因素和微纳加工的影响，纳米带场效应晶体管展现出优异的性能：载流子迁移率达4,600 cm2V–1s–1，开关比可达106。
图一 石墨烯纳米带层间嵌入式生长的示意图和电子显微镜表征
层间石墨烯纳米带的生长是通过一种纳米颗粒催化的化学气相沉积（CVD）实现的。实验中，催化剂纳米颗粒会在高温作用下运动并附着在hBN的边缘和台阶处。在这里，甲烷分子会在催化剂表面裂解出碳原子，随后这些碳原子会溶解到纳米颗粒中。当纳米颗粒中的碳含量过饱合后，纳米带会在颗粒表面形核同时嵌入hBN的层间。这些一维纳米带结构可以直接通过扫描电子显微镜（SEM）观察到。扫描透射电子显微镜（STEM）截面图像表明，镶嵌在hBN层间的纳米带宽度为3-5纳米，对应的能隙大小约为0.2~0.6 eV。
图二 手性统一的超长石墨烯纳米带
在层间生长的石墨烯纳米带长度可达亚毫米量级，远大于以往报道的结果。结合其亚5纳米的宽度，层间纳米带的长宽比达到了105，比以往的结果大至少两个数量级。更重要的是，层间纳米带的具有统一的zigzag手性结构。统计结果表明，zigzag 纳米带的纯度随长度上升，且长度在20微米以上的纳米带全部为zigzag手性。理论上zigzag纳米带边缘存在自旋极化拓扑边缘态，对自旋电子学和自旋量子计算器件具有潜在的应用前景。
图三 氮化硼层间石墨烯纳米带嵌入式生长机理
为了揭示六方氮化硼层间超长zigzag 石墨烯纳米带的生长机理，史志文教授团队与武汉大学欧阳稳根教授团队、特拉维夫大学Michael Urbakh教授团队、深圳先进技术研究院丁峰教授团队的密切合作，发现层间超长zigzag 纳米带的形成是hBN层间超润滑特性（近零摩擦损耗）的结果。在生长过程中，石墨烯纳米带会在生长驱动力的作用下不断嵌入到hBN层间，必然涉及纳米带与hBN之间的相对滑移。研究人员通过进行分子动力学模拟和理论模拟发现，由于hBN特殊的晶体结构，纳米带在hBN层间的摩擦力显著小于在其表面的摩擦力。这解释了hBN层间生长的纳米带长度远超以往在hBN表面生长结果的反直觉现象。此外，相对于其他手性的纳米带，zigzag 纳米带可以在层间进行近乎无摩擦的滑动，最终导致了石墨烯纳米带的手性选择性生长。
图四 基于原位封装石墨烯纳米带的高性能场效应晶体管
由于所生长的石墨烯纳米带被绝缘hBN“原位封装”，免受器件加工过程中吸附、氧化、环境污染和光刻胶接触的影响，所以理论上可获得极高性能纳米带电子器件。研究人员基于层间生长的纳米带制备了场效应晶体管（FET）器件，测量结果表明，石墨烯纳米带FETs都表现出典型的半导体器件的电学输运特性，室温下的开关比可达106。更值得关注的是，器件的载流子迁移率高达4,600 cm2V–1s–1，超越以往报道的结果。这些出色的性能表明层间石墨烯纳米带有望在未来的高性能碳基纳米电子器件中扮演重要的角色。本研究向微电子领域先进封装架构的原子制造迈出了关键一步，预计将对碳基纳米电子学领域产生重要影响。
图五 该成果上海交大团队主要成员：
（从左至右）陈佳俊、沈沛约、娄硕、吕博赛、史志文
论文共同第一作者为上海交通大学物理与天文学院吕博赛、陈佳俊、娄硕、沈沛约、谢京旭、武汉大学王森和韩国蔚山国立科学技术学院的邱璐和Izaac Mitchell。共同通讯作者为史志文教授、特拉维夫大学Michael Urbakh教授、深圳先进技术研究院丁峰教授和武汉大学欧阳稳根教授。论文的合作者还包括上海交通大学王世勇教授、李听昕教授、陈国瑞教授、王孝群教授、贾金锋教授、梁齐教授、李灿博士、胡成博士、周先亮，以及特拉维夫大学Oded Hod教授，日本国立材料研究所Kenji Watanabe教授和Takashi Taniguchi教授。本工作所涉及TEM表征在上海交通大学分析测试中心完成，器件加工在上海交大物理与天文学院微纳加工平台完成，计算模拟主要在武汉大学超算中心和国家天河超算中心完成，本工作得到科技部、自然科学基金委的资助，在此深表感谢。
论文链接（点击“阅读原文”可查看）：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07243-0
图文编辑：刘真
责任编辑：叶丹、朱敏
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