一種生長石墨烯納米帶全新方法獲開發

中國青年報用戶端訊（中青報·中青網記者 王烨捷）中原標準時間3月28日淩晨，國際頂尖期刊Nature（《自然》）線上發表了以“Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics”（用于高性能電子産品的hBN堆棧中生長的石墨烯納米帶）的研究論文。該研究開發了一種生長石墨烯納米帶的全新方法，成功實作了超高品質石墨烯納米帶在氮化硼層間的嵌入式生長，形成“原位封裝”的石墨烯納米帶結構，并示範了所生長的石墨烯納米帶可用于建構高性能場效應半導體器件。

圖為論文發表螢幕截圖。本文圖檔均由上海交大提供。

論文共同第一作者為上海交通大學實體與天文學院呂博賽、陳佳俊、婁碩、沈沛約、謝京旭、武漢大學王森和南韓蔚山國立科學技術學院的邱璐和Izaac Mitchell。共同通訊作者為史志文教授、特拉維夫大學Michael Urbakh教授、深圳先進技術研究院丁峰教授和武漢大學歐陽穩根教授。上海交通大學是論文的第一完成機關和通訊機關。

石墨烯于2004年首次被實驗發現，為高性能電子器件的開發帶來了曙光。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，具有獨特的電子能帶結構和優異的電子學特性。石墨烯中的電子為無品質的狄拉克費米子，能以極快的速度穿梭，石墨烯的載流子遷移率可達矽的100倍以上。基于石墨烯的“碳基納米電子學”有望開啟人類資訊社會的新時代。

然而，二維石墨烯沒有帶隙，無法直接用來制作半導體器件。

理論實體學家提出可以通過把二維石墨烯裁剪成準一維的納米條帶的方式通過量子限域效應來引入帶隙。石墨烯納米帶的帶隙大小與其寬度成反比，寬度小于5納米的石墨烯納米帶具備與矽相當的帶隙大小，适合用來制造半導體。這種同時具備帶隙和超高遷移率的石墨烯納米帶是碳基納米電子學的理想候選材料之一。

為此，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品質石墨烯納米帶的制備問題一直沒有得到解決，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本身品質不高；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，其電子全部暴露在外界環境中的，是以電子的運動極其容易受到周圍環境影響。

為了提高石墨烯器件性能，人們嘗試了多種方法來減少環境帶來的無序效應。迄今為止最成功的方法是六方氮化硼（hBN，以下簡稱氮化硼）封裝法。氮化硼是一種寬帶隙二維層狀絕緣體，具有與石墨烯一樣的蜂窩狀六角晶格。更重要的是，氮化硼具有原子級平整的表面和優異化學穩定性。如果把石墨烯夾在（封裝在）兩層氮化硼晶體之間，形成三明治結構，石墨烯“夾心”将與外界複雜環境中的“水、氧、和微生物”隔絕，使得“夾心”可以一直保持在“最優質且新鮮”的狀态。多項研究表明，石墨烯被氮化硼封裝之後，包括載流子遷移率在内的多項性能會得到顯著提升。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産業中規模化生産的需要。

針對以上挑戰，上海交通大學史志文教授團隊另辟蹊徑，開發出一種全新的制備方法，實作了石墨烯納米帶在氮化硼層間的嵌入式生長，形成了獨特的“原位封裝”的半導體性石墨烯納米帶。

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）實作的。“在2022年我們就報道了在氮化硼表面生長的納米帶長度可達10微米的超長石墨烯納米帶，但是層間納米帶的長度已經遠遠超過這個紀錄。現在限制石墨烯納米帶長度上限的已經不是生長機理，而是氮化硼晶體的尺寸。”論文第一作者呂博賽博士說，在層間生長的石墨烯納米帶長度可達亞毫米量級，遠超以往報道的結果。

“這種層間嵌入式生長很神奇。”史志文介紹，通常情況下，材料生長往往是在一種基底材料的表面生長另一種，而其研究團隊制備的納米帶則直接生長在六方氮化硼原子層間。

為了揭示生長機理，前述聯合研究團隊密切合作，發現層間超長zigzag納米帶的形成是氮化硼層間超潤滑特性（近零摩擦損耗）的結果。

實驗觀測表明，石墨烯納米帶的生長隻發生在催化劑的顆粒處，而且整個過程中催化劑的位置保持不變。這說明納米帶的末端會向石墨烯納米帶施加一個推動力，使得整條納米帶克服其與周圍氮化硼之間的摩擦力而不斷滑動，使得首端逐漸遠離催化劑顆粒。是以，研究人員推測，石墨烯納米帶在氮化硼原子層間滑移時受到的摩擦力必須非常小。

由于所生長的石墨烯納米帶被絕緣氮化硼“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，是以理論上可獲得超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半導體（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。更值得關注的是，器件的載流子遷移率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。該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，預計将對碳基納米電子學領域産生重要影響。

來源：中國青年報用戶端