【前沿】石墨烯纳米带制备取得重要进展，电子学应用更近一步！

石墨烯纳米带

石墨烯纳米带是超窄的条带状石墨烯，其具有优异的电学性能，有可能成为未来高性能半导体器件的理想基础材料。然而，如何在绝缘衬底表面直接制备性能优良的石墨烯纳米带仍然是科学界亟待攻克的难题。

理想的石墨烯纳米带根据其边界手性不同展现出金属性或者半导体性。因此，为了实现石墨烯的能带及电学性质调控，制备具有特定手性的石墨烯纳米带成为关键。利用传统光刻方法得到的纳米带通常边界参差不齐。而其他制备方法，如：碳化硅台阶外延法、先进光刻技术、超声化学法、碳纳米管解锁法等等，也很难获得具有确定手性且宽度小于10纳米的石墨烯纳米带。近期有报道利用衬底催化设计出分子交联的方法成功制备出具有确定手性的石墨烯纳米带，但是如何将纳米带无损地转移至指定衬底并进行排布仍然是巨大的挑战。显然以上方法对于石墨烯在未来电子器件的应用上仍有存在较大局限。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室王浩敏研究员、谢晓明研究员带领的研究团队采用化学气相沉积法在六角氮化硼表面成功制备边界平整且宽度可控的石墨烯纳米带。

图1 六角氮化硼沟槽内石墨烯纳米带生长

他们采用六角氮化硼表面沿着锯齿型方向的纳米沟槽为模板，实现单层石墨烯纳米带面内外延生长。该方法得到的石墨烯纳米带在室温下也能展示出高达104的开关比，700 cm2/Vs的载流子迁移率和近50纳米的载流子平均自由程。该多维度异质结纳米带仅具有几个苯环宽度，可以打开带隙。其器件制备工艺与目前的大规模集成电路制造工艺相兼容，该制备方法的突破有可能为石墨烯纳米带在数字集成电路应用开辟新的道路。

图2 六角氮化硼表面纳米沟槽与石墨烯纳米带

实现纳米带在电子器件领域的应用需要解决两大问题：大面积免转移制备与能带带隙调控。在六角氮化硼沟槽内嵌入式生长特定取向的石墨烯纳米带可以有效地克服这些困难，精确控制石墨烯纳米带的能带。

本文作者提出利用化学气相沉积法在六角氮化硼表面通过模板法成功制备出边界平整、宽度可控的石墨烯纳米带。并采用亚10纳米宽度的石墨烯纳米带制备晶体管，得到其在室温下的开关比可以达到104，载流子迁移率为~750 cm2V-1s-1。其能带带隙大于0.4 eV。

长期以来，由于石墨烯缺乏带隙，大家经常质疑其在未来数字器件的应用潜力。纳米带为石墨烯在该领域的应用提供了可行的方案，但要求纳米带的宽度与边界必须精确控制。文献上已有关于石墨烯-氮化硼面内异质结薄膜的报道，但是这些报道的结构都是在金属上实现，特别是如何精确控制石墨烯的形貌及石墨烯-氮化硼边界仍没有得到完美的解决。

通过在六角氮化硼纳米沟槽嵌入外延的方法，论文作者已经得到了宽度可控且边界平直的锯齿型取向、能带可调的石墨烯纳米带。利用亚10纳米的石墨烯纳米带制备出了开关比大于104的场效应晶体管。实验结果说明我们的方法是可以克服石墨烯零带隙的限制，为实现常温下工作的石墨烯基数字电路铺平了道路。

该研究结果发表在2017年3月9日的 《自然·通讯》杂志上 (L. Chen, et al, Oriented graphene nanoribbons embedded in hexagonal boron nitride trenches, Nature Communications, 8, 14703，DOI: 10.1038/ncomms14703 (2017))。