Science重磅：化学合成半导体纳米孔石墨烯！

纳米人 · 公众号 · · 2018-04-13 07:54

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第一作者：César Moreno

通讯作者：César Moreno, Diego Peña, Aitor Mugarza

第一单位：加泰罗尼亚纳米科技研究所（西班牙）

石墨烯由于具有高的电荷载流子迁移率，在晶体管等电子器件领域具有重要应用前景，有望实现更快的计算能力。然而，石墨烯没有带宽，导致石墨烯电子器件在任何闸极电压下都依然保持高导电性，不能完全关闭，从而限制了其在电子器件的应用。因此，科研工作者长期以来都致力于如何使石墨烯半导体化。

为了使石墨烯半导体化，目前通用的策略是制备石墨烯纳米带或者纳米孔结构，理论计算表明，通过对形貌、宽度以及边界结构等参数的调控，石墨烯纳米带或纳米孔石墨烯不仅具有可调的能带结构，还可以得到许多其他的新奇的物理性质。

图 1. 纳米带或纳米孔石墨烯的两类合成方法

合成纳米带或纳米孔石墨烯的方法，较多地采用自上而下的物理法。以石墨烯为原料，通过电子束刻蚀等方法直接制得。这种方法制得的纳米带或者纳米孔有一个不可避免的缺陷，就是很难实现原子结构的精确度。纳米孔或纳米带的特征此处不能达到 2 nm 的尺寸精度，开放带宽难以实现 1 eV ，不能和传统的 Si 半导体材料争高下！

为了实现原子结构精确的纳米孔或纳米带石墨烯，科研工作者发明了一种自下而上的化学分子聚合合成策略。 2010 年， Cai 等人以 DBBA 分子为前驱体，在 Au(111) 单晶表面，通过超高真空加热聚合，制备得到超窄的石墨烯纳米带。

图 2. 化学合成石墨烯纳米带

Jinming Cai, Klaus Müllen, Roman Fasel et al. Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons. Nature 2010, 466, 470–473.

即便如此，问题依然存在：一方面，石墨烯纳米带长度不够（ <50 nm ），导致器件表征困难；另一方面，纳米孔石墨烯的化学法精确合成仍然有待突破。

有鉴于此，西班牙加泰罗尼亚纳米科技研究所 Aitor Mugarza, César Moreno 和西班牙圣迭戈·德孔波斯代拉大学 Diego Peña 团队合作，报道了一种化学分子前驱体聚合制备 1 nm 孔半导体石墨烯的新策略。

图 3. 化学合成纳米孔石墨烯

研究人员采用类似石墨烯纳米带的合成策略，以 DP-DBBA 为分子前驱体，在 Au(111) 单晶表面。在 200 ℃时分子开始聚合，在 400 ℃左右开始形成纳米带。和之前的石墨烯纳米带不一样的是，这种石墨烯纳米带结构并不是规则的直线型，因此，当进一步进行 450 ℃的退火操作时，石墨烯纳米带并没有继续变宽形成更宽的纳米带，而是聚合形成纳米孔结构的石墨烯。