上海交通大学，Nature！
米测MeLab
2024-03-29
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研究背景
石墨烯是一种2D晶体，由排列成蜂窝状晶格的单层碳原子组成，自2004年首次分离以来，一直受到广泛研究。作为未来电子材料的候选材料，尽管具有超高载流子迁移率，但其原始状态石墨烯缺乏电子带隙。而石墨烯纳米带（GNR）可以克服上述问题。理论上，亚5纳米宽的原始GNR预计将表现出适合室温开关操作的大带隙，并伴随着高达10,000 cm2 V–1s–1的载流子迁移率，这使它们成为数字逻辑和射频电子应用的理想平台。
关键问题
1、基于GNR的场效应晶体管的理论预测和实验结果之间差异很大基于GNR的原型场效应晶体管(FET)观察到了显着较低的迁移率，理论预测和实验结果之间的这种差异可归因于无序效应，包括晶格缺陷、应变、表面粗糙度、污染物的物理和化学吸附以及基材带电杂质。2、现有封装方法涉及机械转移，过程难以控制、易污染且无法扩展 将石墨烯封装在六方氮化硼(hBN)堆叠之间是减少无序效应的最成功方法，。然而，封装过程涉及机械vdW组装，这是一种低产量技术，只能生产微米级样品，因此不适合先进的电子应用。
新思路
有鉴于此，上海交通大学史志文、特拉维夫大学Michael Urbakh、蔚山国立科学技术学院Feng Ding及武汉大学Wengen Ouyang等人报告了六方氮化硼堆叠中高质量石墨烯纳米带（GNR）的无转移直接生长。生长的嵌入GNR表现出非常理想的特征，即超长（长达0.25毫米）、超窄（<5纳米）和具有锯齿形边缘的同手性。原子模拟表明，嵌入生长的机制涉及在AA'堆叠的六方氮化硼层之间滑动时的超低GNR摩擦。使用生长的结构，作者演示了嵌入式GNR场效应器件的无转移制造，该器件在室温下表现出优异的性能，迁移率高达4,600 cm2 V–1 s–1和高达106的开关比。这为基于嵌入式层状材料的高性能电子器件的自下而上制造铺平了道路。作者展示了嵌入式GNR的生长过程，通过多种表征证实了获得生成的GNR具有较高的长宽比，生长的GNR主要是锯齿形的。作者通过实验和理论计算表明了嵌入的GNR生长过程，表明层间晶格公称、变形能量损失、vdW相互作用和摩擦能量耗散的总体效应导致超长嵌入式ZZ-GNR的高度选择性生长。作者基于生长的嵌入式GNR制造了FET器件，获得了高达74,000 cm2 V−1 s−1的迁移率，证实了自行生产的嵌入式GNR适合作为纳米级电子设备中的有源元件。本工作引入了一种可扩展合成方法，用于直接生长嵌入绝缘六方氮化硼堆栈中的GNR。生长的嵌入式GNR长达250μm，超窄（<5nm），并具有均匀的锯齿形边缘几何形状。作者使用开发的样品制造的FET表现出卓越的电子特性，包括高达约4,600 cm2V–1s–1的室温载流子迁移率、高达约106的开关比以及约100 mV dec−1的亚阈值摆幅。作者展示了嵌入式GNR的生长过程，催化生长过程类似于六方氮化硼表面上GNR生长的过程。STEM显示了封装的GNR的横截面视图，可以看到3.3nm 宽单层GNR的横截面扰乱了原始的六方氮化硼层状堆叠。为了适应嵌入式 GNR，六方氮化硼堆栈会垂直变形，产生弹性损失，通过增加有吸引力的层间色散相互作用来补偿弹性损失。嵌入的GNR是完全笔直的，长度范围从几微米到几百微米，比表面生长的GNR长得多。值得注意的是，获得的最长嵌入GNR（约250μm）的长宽比约为1×105，比迄今为止通过其他方法合成的GNR大至少两个数量级。嵌入带顶部的hBN表面AFM扫描在高度剖面上表现出周期性特征，表明生长的GNR主要是锯齿形的，表现出与相邻六方氮化硼层的1D莫尔超结构。实验观察表明，嵌入的 GNR 生长机制涉及以下过程：（1）催化纳米颗粒的成核；(2)在纳米颗粒表面添加GNR片段，驱动GNR前缘滑离成核位点；(3)GNR渗透到hBN层间距中；(4) hBN 堆栈中 GNR 的增长。生长过程受到层间晶格补偿效应、形变能量损失、增加的vdW相互作用和摩擦能量耗散的控制。这些因素之间的平衡决定了嵌入式GNR的首选生长方向、边缘类型和总长度。理论计算结果表明，层间晶格公称、变形能量损失、vdW相互作用和摩擦能量耗散的总体效应导致超长嵌入式 ZZ-GNR 的高度选择性生长。 作者基于生长的嵌入式GNR制造了FET器件，代表性Vsd和Vg处的二维图显示了高开关比Ion/Ioff ≈106 。在制造的所有器件中，测得的最大输出电流超过8μA，嵌入式GNR器件的场效应载流子迁移率落在1400–4600cm2 V−1s−1范围内。测量的最高室温迁移率还是窄GNR器件的记录值。此外，在10 K的温度下，该GNR器件的迁移率达到了约74,000 cm2 V−1 s−1的极高值。这些发现反映了生长的嵌入 GNR 样品的低缺陷密度和高均匀性。这两个优点导致亚阈值摆幅相当小，约为 100 mV dec−1，接近由热激发确定的室温下60 mV dec−1 的理论极限。这些出色的 FET 特性是在室温下获得的，这证明了自行生产的嵌入式GNR适合作为纳米级电子设备中的有源元件。最后，具有低电阻欧姆接触和与平均自由程相当的较短沟道长度的高性能GNR器件也将有利于探索弹道或准弹道输运现象，例如量子电导和Fabry-Peror干涉。
展望
总之，本文报道了一种六方氮化硼堆叠中高质量石墨烯纳米带（GNR）的无转移直接生长。所提出的催化生长方法向多带结构的扩展可能为以前未知的基于 GNR 的纳米电子元件的设计和制造铺平道路。此外，沿之字形边缘存在的自旋极化拓扑边缘态为自旋电子和量子计算设备带来了希望。Lyu, B., Chen, J., Wang, S. et al. Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07243-0
