上海微系統(tǒng)所等在六角氮化硼溝槽中成功制備石墨烯納米帶

　　中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在石墨烯納米帶可控制備研究中取得新進(jìn)展。信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王浩敏團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次通過(guò)模板法在六角氮化硼溝槽中實(shí)現(xiàn)石墨烯納米帶可控生長(zhǎng)，成功打開(kāi)石墨烯帶隙，并在室溫下驗(yàn)證了其優(yōu)良的電學(xué)性能，為研發(fā)石墨烯數(shù)字電路提供了一種可能的技術(shù)路徑。該研究結(jié)果發(fā)表在3月9日的《自然-通訊》雜志上 (L. Chen, et al, Oriented graphene nanoribbons embedded in hexagonal boron nitride trenches, Nature Communications, 8, 14703，DOI: 10.1038/ncomms14703 (2017))。該項(xiàng)研究提出的石墨烯納米帶制備方法已經(jīng)獲得中國(guó)和美國(guó)發(fā)明專利。

　　研究人員首先通過(guò)金屬納米顆粒刻蝕六角氮化硼單晶襯底，切割出單原子層厚度、邊緣平直且沿鋸齒型(Zigzag)方向、寬度具有一定可控性的納米溝槽，然后通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在溝槽中制備出長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)微米且寬度小于10納米的高質(zhì)量石墨烯納米帶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯在溝槽內(nèi)通過(guò)臺(tái)階外延方式生長(zhǎng)，與最頂層六角氮化硼形成晶格連續(xù)的面內(nèi)異質(zhì)結(jié)。研究人員制備了基于石墨烯納米帶的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，亞5nm器件在常溫下的電流開(kāi)關(guān)比大于104，載流子遷移率約為750 cm2/Vs，從電學(xué)測(cè)量中提取的電學(xué)輸運(yùn)帶隙約為0.5eV，可以滿足數(shù)字電路研發(fā)的基本要求。

　　石墨烯是一種由單層碳原子組成的二維原子晶體，具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和電學(xué)特性。然而本征石墨烯材料帶隙為零，限制了其在微納電子器件，特別是數(shù)字電路中的應(yīng)用。制備石墨烯納米帶打開(kāi)能帶帶隙是一種非常有潛力的方法，然而傳統(tǒng)石墨烯納米帶制備方法在寬度和邊界手性控制方面存在困難，同時(shí)還面臨需要轉(zhuǎn)移的缺點(diǎn)。該研究在六角氮化硼單晶這一石墨烯理想襯底上驗(yàn)證了一種免轉(zhuǎn)移，且寬度和邊界可控的技術(shù)線路，為進(jìn)一步探索與CMOS集成電路兼容的石墨烯邏輯電路提供了一個(gè)重要平臺(tái)。

　　邊界可控是制備實(shí)用化石墨烯邏輯器件的重要前提，該項(xiàng)研究通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)手段初步證實(shí)制備的納米帶為純鋸齒型邊界結(jié)構(gòu)，獲得原子級(jí)別元素分辨的直接證據(jù)的研究正在進(jìn)行之中。

　　該項(xiàng)研究得到了國(guó)家科技部02重大專項(xiàng)“晶圓級(jí)石墨烯電子材料與器件研究”（2011ZX02707）等項(xiàng)目的支持。該項(xiàng)研究的合作單位包括上?？萍即髮W(xué)、華中科技大學(xué)、中南大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和中科院上海技術(shù)物理研究所。

上海微系統(tǒng)所等在六角氮化硼溝槽中成功制備石墨烯納米帶