奇奇怪怪: 一種生長石墨烯奈米帶全新方法已開發

中國青年報客戶端訊（中青報·中青網記者王燁捷）北京時間3月28日凌晨，國際頂尖期刊Nature （《自然》）在線發表了以"Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high- performance electronics 」（用於高性能電子產品的hBN堆疊中生長的石墨烯奈米帶）的研究論文。該研究開發了一種生長石墨烯奈米帶的全新方法，成功實現了超高品質石墨烯奈米帶在氮化硼層間的嵌入式生長，形成「原位封裝」的石墨烯奈米帶結構，並展示了所生長的石墨烯奈米帶可用於建立高性能場效電晶體裝置。

圖為論文發表螢幕截圖。本文圖片皆由上海交大提供。

論文共同第一作者為上海交通大學物理與天文學院呂博賽、陳佳俊、婁碩、沈沛約、謝京旭、武漢大學王森和韓國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、武漢大學歐陽穩根教授。上海交通大學是論文的第一個完成單位和通訊單位。

石墨烯於2004年首次被實驗發現，為高性能電子裝置的開發帶來了曙光。石墨烯是一種由單層碳原子以蜂巢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質量的狄拉克費米子，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。基於石墨烯的「碳基奈米電子學」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，無法直接用來製作電晶體裝置。

理論物理學家提出可以透過把二維石墨烯裁剪成準一維的奈米條帶的方式透過量子限域效應來引入帶隙。石墨烯奈米帶的帶隙大小與其寬度成反比，寬度小於5奈米的石墨烯奈米帶具備與矽相當的帶隙大小，適合用來製造電晶體。這種同時具備帶隙和超高遷移率的石墨烯奈米帶是碳基奈米電子學的理想候選材料之一。

為此，科學研究人員投入了大量精力研究石墨烯奈米帶的製備。儘管目前已經發展了多種製備石墨烯奈米帶的方法，但在可用於半導體裝置的高品質石墨烯奈米帶的製備問題一直沒有解決，已製備出的石墨烯奈米帶的載流子遷移率均遠低於理論值。此差異一方面來自於石墨烯奈米帶本身質量不高；另一方面來自於奈米帶周圍環境的無序，由於石墨烯奈米帶的低維屬性，其電子全部暴露在外部環境中的，因此電子的運動極為容易受到周圍環境影響。

為了提高石墨烯裝置性能，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。如果將石墨烯夾在（封裝在）兩層氮化硼晶體之間，形成三明治結構，石墨烯「夾心」將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」的狀態。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內的多項性能會顯著提升。然而，已有的機械封裝法效率很低，目前僅能用於科學研究領域，難以滿足未來先進微電子產業中規模化生產的需求。

針對以上挑戰，上海交通大學史志文教授團隊另闢蹊徑，開發出一種全新的製備方法，實現了石墨烯奈米帶在氮化硼層間的嵌入式生長，形成了獨特的「原位封裝」的半導體性石墨烯奈米帶。

層間石墨烯奈米帶的生長是透過一種奈米顆粒催化的化學氣相沉積（CVD）來實現的。「在2022年我們就報道了在氮化硼表面生長的奈米帶長度可達10微米的超長石墨烯奈米帶，但是層間奈米帶的長度已經遠遠超過這個紀錄。現在限製石墨烯奈米帶長度上限的已經不是生長機制，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奈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。」史誌文介紹，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，而其研究團隊製備的奈米帶則直接生長在六方氮化硼原子層間。

為了揭示生長機制，前述聯合研究團隊密切合作，發現層間超長zigzag奈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，石墨烯奈米帶的生長只發生在催化劑的顆粒處，整個過程中催化劑的位置保持不變。這說明奈米帶的末端會向石墨烯奈米帶施加一個推動力，使得整條奈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。因此，研究人員推測，石墨烯奈米帶在氮化硼原子層間滑移時所受到的摩擦力必須非常小。

由於所生長的石墨烯奈米帶被絕緣氮化硼"原位封裝"，免受裝置加工過程中吸附、氧化、環境污染和光阻接觸的影響，因此理論上可獲得超高性能奈米帶電子器件。研究人員基於層間生長的奈米帶製備了場效電晶體（FET）元件，測量結果表明，石墨烯奈米帶FETs都表現出典型的半導體元件的電輸運特性。更值得關注的是，元件的載子遷移率4,600 cm2V–1s–1，超越以往通報的結果。