論文導讀

石墨烯是一種由單層碳原子以蜂窩狀排列而成的二維晶體，具有獨特的電子結構和優異的性質，自2004年首次實驗發現以來，就一直是科學研究的前沿和熱點，并被期待用于未來高性能電子器件。然而，盡管石墨烯具有超高的載流子遷移率，但是本征石墨烯沒有能隙，難以直接用來制作晶體管器件。相比之下，準一維的石墨烯納米條帶則因量子限域效應而打開能隙，且能隙大小可通過納米帶寬度和邊緣結構來調控，有望成為未來高性能電子器件與芯片的理想候選材料，受到學術界和產業界的共同關注。

有鑒于此，科研人員投入了大量精力研究石墨烯納米帶的制備，盡管目前已經發展了多種制備石墨烯納米帶的方法，但在可用于半導體器件的高質量石墨烯納米帶的制備問題一直沒有解決。特別地，已制備出的石墨烯納米帶的載流子遷移率均遠低于理論值。此差異一方面來自于石墨烯納米帶的結構缺陷，另一方面來自于納米帶周圍環境的無序。由于石墨烯納米帶的低維屬性，其電子輸運行為對周圍環境非常敏感。為了提高低維材料器件性能，人們嘗試了多種方法來減少環境無序效應。迄今為止最成功的方法是六方氮化硼（hBN）封裝法。hBN是一種原子級平整的寬帶隙二維層狀絕緣體。多項研究表明被封裝的低維材料器件性能顯著提升。然而，已有的機械封裝法效率很低，目前僅能用于科研領域，難以滿足未來先進微電子產業發展的需要。

針對以上挑戰，上海交通大學史志文教授團隊開發出一種全新的制備方法，實現了石墨烯納米帶在hBN層間的嵌入式生長，形成“原位封裝”的石墨烯納米帶。研究發現，該納米帶具有多種優異的結構特征，包括統一的手性結構，小于5納米的寬度，以及亞毫米量級的長度。這些結構特征主要來源于hBN層間的超潤滑特性（近零摩擦損耗）。由于這種高質量石墨烯納米帶在生長的同時就被氮化硼“原位封裝”，其結構和性質可以免受外界環境因素和微納加工的影響，納米帶場效應晶體管展現出優異的性能：載流子遷移率達4,600 cm²V^–1s^–1，開關比可達10⁶。

層間石墨烯納米帶的生長是通過一種納米顆粒催化的化學氣相沉積（CVD）實現的。實驗中，催化劑納米顆粒會在高溫作用下運動并附著在hBN的邊緣和臺階處。在這里，甲烷分子會在催化劑表面裂解出碳原子，隨后這些碳原子會溶解到納米顆粒中。當納米顆粒中的碳含量過飽合后，納米帶會在顆粒表面形核同時嵌入hBN的層間。這些一維納米帶結構可以直接通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到。掃描透射電子顯微鏡（STEM）截面圖像表明，鑲嵌在hBN層間的納米帶寬度為3-5納米，對應的能隙大小約為0.2~0.6 eV。

在層間生長的石墨烯納米帶長度可達亞毫米量級，遠大于以往報道的結果。結合其亞5納米的寬度，層間納米帶的長寬比達到了10⁵，比以往的結果大至少兩個數量級。更重要的是，層間納米帶的具有統一的zigzag手性結構。統計結果表明，zigzag 納米帶的純度隨長度上升，且長度在20微米以上的納米帶全部為zigzag手性。理論上zigzag納米帶邊緣存在自旋極化拓撲邊緣態，對自旋電子學和自旋量子計算器件具有潛在的應用前景。

為了揭示六方氮化硼層間超長zigzag 石墨烯納米帶的生長機理，史志文教授團隊與武漢大學歐陽穩根教授團隊、特拉維夫大學Michael Urbakh教授團隊、深圳先進技術研究院丁峰教授團隊的密切合作，發現層間超長zigzag 納米帶的形成是hBN層間超潤滑特性（近零摩擦損耗）的結果。在生長過程中，石墨烯納米帶會在生長驅動力的作用下不斷嵌入到hBN層間，必然涉及納米帶與hBN之間的相對滑移。研究人員通過進行分子動力學模擬和理論模擬發現，由于hBN特殊的晶體結構，納米帶在hBN層間的摩擦力顯著小于在其表面的摩擦力。這解釋了hBN層間生長的納米帶長度遠超以往在hBN表面生長結果的反直覺現象。此外，相對于其他手性的納米帶，zigzag 納米帶可以在層間進行近乎無摩擦的滑動，最終導致了石墨烯納米帶的手性選擇性生長。

由于所生長的石墨烯納米帶被絕緣hBN“原位封裝”，免受器件加工過程中吸附、氧化、環境污染和光刻膠接觸的影響，所以理論上可獲得極高性能納米帶電子器件。研究人員基于層間生長的納米帶制備了場效應晶體管（FET）器件，測量結果表明，石墨烯納米帶FETs都表現出典型的半導體器件的電學輸運特性，室溫下的開關比可達10⁶。更值得關注的是，器件的載流子遷移率高達4,600 cm²V^–1s^–1，超越以往報道的結果。這些出色的性能表明層間石墨烯納米帶有望在未來的高性能碳基納米電子器件中扮演重要的角色。本研究向微電子領域先進封裝架構的原子制造邁出了關鍵一步，預計將對碳基納米電子學領域產生重要影響。