《二维视界》之《时点4》:谢晓明——沟槽助力石墨烯纳米带可控生长

自2004年石墨烯被成功剥离出来,其所具有的高电子迁移率、高电导率、高透光率等一系列优异性质就引起了科学研究者的广泛关注。令人沮丧的是,石墨烯本身是零带隙材料,这严重阻碍了其在电子器件领域的发展。此外,传统的绝缘衬底表面的电荷陷阱也会大大降低石墨烯的实际迁移率。六方氮化硼(h-BN)与石墨烯的结构极为相似,均是六方晶格结构,且两者的晶格失配度仅为1.6%;而两者的性质却又截然不同,石墨烯是具有零带隙的半金属,h-BN则是绝缘的。不仅如此,h-BN表面无悬挂键和电荷杂质,且为原子级平滑。这无疑使得其成为石墨烯的绝佳衬底。近年来,众多工作致力于在h-BN表面直接生长石墨烯,结果表明石墨烯的器件性能得到了显著提升。在此之前,中国科学院上海微系统与信息技术研究所的谢晓明研究员课题组也长期致力于这一领域的研究,并取得了非常大的进展。其课题组利用硅烷这类独特的气体作为催化剂,成功实现了氮化硼基底上石墨烯的快速生长,生长速率达~1 μm min1,且石墨烯的室温迁移率可达20000 cm2 V1 s1[1]

石墨烯与h-BN这对模范CP给科研人员们带来了无数惊喜,似乎石墨烯在电子器件领域的大规模应用即将实现。回顾开篇所提,我们发现,目前的研究虽然使得石墨烯的迁移率得到极大提升,但是所获得的石墨烯均是没有带隙的,也就无法实现其在半导体领域的真正价值。

3月时点-图

研究表明,石墨烯纳米带能成功打开其带隙。利用沟槽模板法,谢晓明研究员课题组采用气体催化剂策略,成功实现了h-BN衬底上定向石墨烯纳米带的直接构筑。[2]具体来说,他们首先将h-BN机械剥离至石英基底上,随后使其表面负载金属Ni纳米颗粒,通过高温退火的方式来刻蚀h-BN,成功制备出单原子层厚、锯齿形边缘且具有特定取向的h-BN纳米沟槽。随后,他们以纳米沟槽为模板,硅烷为催化剂,成功实现了h-BN绝缘衬底上石墨烯纳米带的可控制备。其中石墨烯与下方的六方氮化硼精确对准,且通过控制反应条件可以得到一系列不同宽度的石墨烯纳米带。实验结果也表明,石墨烯是以刻蚀出的六方氮化硼锯齿形边缘为成核点,通过台阶外延的方式进行生长,最终两端相互融合,形成完整的石墨烯与h-BN的面内异质结构。此外,将其用于制备场效应晶体管,他们发现不同宽度的石墨烯纳米带具有不同的迁移率和带隙,从而有效实现了其电学性能的可控调节。更重要的是,控制刻蚀条件可以实现亚纳米级石墨烯带的制备,其中亚5 nm石墨烯纳米带的载流子迁移率可达到750 cm2 V1 s1,带隙约为0.5 eV!

谢晓明研究员在石墨烯与h-BN异质结方面进行了一系列深入且系统的研究,利用硅烷这种气体催化剂和六方氮化硼纳米沟槽这类独特的结构,成功实现h-BN上石墨烯纳米带的可控制备,最终有效实现石墨烯带隙的打开与调节。我们有理由相信其将会大大推动石墨烯在电子领域的发展与应用。相关文章发表在Nat. Commun.(DOI: 10.1038/ncomms14703)上。

[1] S. Tang, H. Wang, H. S. Wang, Q. Sun, X. Zhang, C. Cong, H. Xie, X. Liu, X. Zhou, F. Huang, X. Chen, T. Yu, F. Ding, X. Xie, M. Jiang, Nat. Commun. 2015, 6, 6499.

[2] L. Chen, L. He, H. S. Wang, H. Wang, S. Tang, C. Cong, H. Xie, L. Li, H. Xia, T. Li, T. Wu, D. Zhang, L. Deng, T. Yu, X. Xie, M. Jiang, Nat. Commun. 2017, 8, 14703.

付 磊 About 付 磊

武汉大学化学与分子科学学院教授;主要研究二维材料的表面控制生长及其在柔性、能源领域的应用。更多信息请访问:http://leifu.whu.edu.cn