石墨烯是一种由单层碳原子以蜂窝状排列而成的二维晶体，具有独特的电子结构和优异的性质，自2004年首次实验发现以来，就一直是科学研究的前沿和热点，并被期待用于未来高性能电子器件。然而，尽管石墨烯具有超高的载流子迁移率，但是本征石墨烯没有能隙，难以直接用来制作晶体管器件。

3月28日，深圳理工大学（筹）丁峰教授团队与上海交通大学史志文教授、以色列特拉维夫大学Michael Urbakh教授、武汉大学欧阳稳根教授合作于Nature期刊发表了题为Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics的最新成果。(点击文末“阅读原文”阅读论文）该研究开发了一种生长石墨烯纳米带的全新方法，成功实现了超高质量石墨烯纳米带在氮化硼层间的嵌入式生长，形成“原位封装”的石墨烯纳米带结构，并演示了所生长的石墨烯纳米带可用于构建高性能场效应晶体管器件。

由于石墨烯纳米带的低维属性，其电子输运行为对周围环境非常敏感。为了提高低维材料器件性能，人们尝试了多种方法来减少环境无序效应。迄今为止最成功的方法是六方氮化硼（hBN）封装法，hBN是一种原子级平整的宽带隙二维层状绝缘体，多项研究表明被hBN封装的低维材料器件性能显著提升。然而，已有的机械封装法效率很低，目前仅能用于科研领域，难以满足未来先进微电子产业发展的需要。

针对以上挑战，联合团队开发出一种全新的制备方法，实现了石墨烯纳米带在hBN层间的嵌入式生长，形成“原位封装”的石墨烯纳米带。

研究发现，石墨烯纳米带具有多种优异的结构特征，包括统一的边缘结构，小于5纳米的宽度，以及亚毫米量级的长度。这一研究的成功主要是因为hBN层间石墨烯的超润滑特性，即滑动时摩擦力几乎可以忽略。由于这种高质量石墨烯纳米带在生长的同时就被hBN“原位封装”，其结构和性质可以免受外界环境因素和微纳加工的影响，纳米带场效应晶体管展现出优异的电子输运性能：如载流子迁移率达4,600cm2V–1s–1，开关比可达106。

层间石墨烯纳米带的生长是通过铁（Fe）纳米颗粒催化的化学气相沉积（CVD）法实现的。在高温作用下，Fe纳米颗粒会附着在多层hBN的边缘台阶处。在这里，甲烷分子会在Fe催化剂表面裂解出碳原子，随后这些碳原子会溶解到纳米颗粒中，当纳米颗粒中的碳含量过饱合后，石墨烯纳米带会在Fe纳米颗粒与多层hBN的界面形核并同时嵌入hBN层间。这些一维纳米带可以直接通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察到。高分辨扫描透射电子显微镜（STEM）截面图像表明，镶嵌在hBN层间的纳米带宽度为3-5纳米，对应的能隙大小约为0.2-0.6 eV。

研究团队发现，在层间生长的石墨烯纳米带长度可达亚毫米量级，远大于以往的研究结果。结合其亚5纳米的宽度，层间纳米带的长宽比达到了105，比以往的结果至少大两个数量级。更重要的是，层间纳米带的具有统一的锯齿型（zigzag）边缘手性。统计结果表明，zigzag纳米带的纯度随长度上升，且长度在20微米以上的纳米带全部为zigzag手性。理论上zigzag纳米带边缘存在自旋极化拓扑边缘态，对自旋电子学和自旋量子计算器件具有潜在的应用前景。

为了揭示六方氮化硼层间超长zigzag石墨烯纳米带的生长机理，联合团队密切合作，发现石墨烯纳米带在hBN层间的摩擦力显著小于在其表面的摩擦力，这解释了hBN层间生长的纳米带长度远超以往在hBN表面生长结果的反直觉现象。相对于其他手性的纳米带，zigzag纳米带可以在层间进行近乎无摩擦的滑动，最终导致了石墨烯纳米带的手性选择性生长。基于石墨烯纳米带在多层hBN中插层所需要克服的能垒以及石墨烯纳米带插入hBN所造成的弹性形变，研究人员估算出了石墨烯纳米带宽度的上限与下限，理论结果跟实验测量一致，解释了超窄石墨烯纳米带的生长机制。

由于所生长的石墨烯纳米带被绝缘hBN“原位封装”，免受器件加工过程中杂质吸附、氧化、环境污染和光刻胶接触的影响，所以理论上可获得极高性能纳米带电子器件。研究人员基于层间生长的纳米带制备了场效应晶体管（FET）器件，测量结果表明，石墨烯纳米带FETs都表现出典型的半导体器件的电学输运特性，室温下的开关比可达106。更值得关注的是，器件的载流子迁移率高达4,600 cm2V–1s–1，显著超越以往报道的所有结果。

这些出色的性能表明层间石墨烯纳米带有望在未来的高性能碳基纳米电子器件中扮演重要的角色。本研究向微电子领域先进封装架构的原子制造迈出了关键一步，预计将对碳基纳米电子学领域产生重要影响。

史志文、Michael Urbakh、丁峰和欧阳稳根为论文的共同通讯作者，本工作得到科技部、国家自然科学基金委的资助。

图1为石墨烯纳米带层间嵌入式生长的示意图和电子显微镜表征

图2为手性统一的超长石墨烯纳米带

图3为氮化硼层间石墨烯纳米带嵌入式生长机理

图4为基于原位封装石墨烯纳米带的高性能场效应晶体管

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