六方氮化硼表面的石墨烯纳米带手性可控制备

来源：材料人

【引言】

GNR是准一维石墨烯纳米结构，根据边界结构不同可以表现出准金属性或半导体性。GNR的独特电学性质使其可能在未来纳米电子技术中得到广泛应用。GNR可以根据边界结构的不同分为锯齿型（ZZ）和扶手椅型（AC）。ZZ GNR（ZGNR）展现出铁磁性和半金属性等奇特的电学特性，而理论计算表明AC GNR（AGNR）具有半导体特性，其带隙大小与其宽度成反比。ZGNR和AGNR都具有不同的电子态和散射特性以及独特的化学特性，而且其性质会受到边界修饰的影响。最近研究表明石墨烯与h-BN通过范德华堆垛和平面共价键结合形成异质结时，其化学/机械稳定性方面可以展现出明显优势，有可能出现与单独的石墨烯或h-BN不同的新奇电学性质。然而，实现手性可控的GNRs异质结构制备仍然面临诸多挑战。

【成果简介】

近日，中科院上海微系统与信息技术研究所王浩敏研究员、奥地利维也纳大学Jannik C. Meyer教授（共同通讯作者）等人共同开发了一种两步生长法，成功制备嵌入h-BN中的亚5 nm宽ZGNR和AGNR。输运测量表明亚7 nm的ZGNR的带隙大小与其宽度成反比，而较窄的AGNR的带隙-宽度关系表现出波动性。在8-10 nm宽的ZGNR的传输曲线中观察到明显的电导峰，但是在大多数AGNR中却没有出现。同时磁输运研究表明ZGNR展现出较小的磁导率，但是AGNR具有较高的磁导率。h-BN表面嵌入式手性可控GNR的成功制备为复杂纳米集成电路提供了的新途径。相关成果以“Towards chirality control of graphene nanoribbons embedded in hexagonal boron nitride”为题发表在Nature Materials上。

【图文导读】

图 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的示意图；

（b）特定取向的GNR的合成方法。

图 2 嵌入h-BN顶层具有特定边界的纳米沟槽和GNR（a，c）纳米粒子选择性刻蚀后的亚5 nm宽ZZ（a）和AC（c）的纳米沟槽的三维AFM高度图像；

（b，d）亚5 nm超窄ZGNR（b）和AGNR（d）的三维AFM高度图像。

图 3 h-BN上GNR器件的电学输运特性

（a）不同温度时，~5 nm宽AGNR器件的电导率（G）与背栅电压（Vgate）的关系图；

（b）不同Vgate值时，在25-300 K区间内AGNR 器件电阻与温度的关系图；

（c）~4.8 nm宽的AGNR的电学输运结果；

（d）300 K时，AGNR器件在Vgate为-25-25 V时的ISD-VSD特性曲线；

（e）GNR带隙大小（Eg）与宽度（w）的关系图；

（f）GNR器件的迁移率和MFP与宽度的变化关系图。

 图 4 h-BN表面宽GNR的场效应和磁电特性

（a）不同温度下，~8.9 nm宽的ZGNR样品的典型转移曲线图；

（b）不同温度下，~9.5 nm宽的AGNR样品的典型转移曲线图；

（c）根据电导率峰值的特征，区分不同边界GNR的类型分布的饼图；

（d）4 K时，不同Vgate值下ZGNR样品的归一化磁导率图；

（e）2 K时，不同Vgate值下AGNR样品的归一化磁导率图；

（f）不同宽度的GNR在不同Vgate时的归一化磁导率分布。

【小结】

该工作报道了绝缘h-BN顶层原子层中取向可控的GNRs制备。本方法结合传统的自上向下（h-BN层的取向刻蚀）和自下向上（GNR模板生长）方法，实现了在二维绝缘h-BN表面的面内无缝拼接GNR制备，并且GNR可以保持其独特的电学性质。此方法不会改变h-BN的机械强度、柔韧性和光学透明性等性质，因此可以用于具有柔性、透明等要求的电子产品。输运测量表明，ZGNRs和AGNRs表现出明显的电导率和磁导率差异。在高质量绝缘衬底上的半导体GNR制备为原子级厚度的超大规模集成电路制备奠定了基础。ZGNR与超导体的接触会表现出拓扑电子态，可能在量子计算中得到应用。