關鍵一步！超高質量石墨烯納米帶制備迎來突破

3月28日，上海交通大學物理與天文學院教授史志文、以色列特拉維夫大學教授Michael Urbakh、深圳先進技術研究院教授丁峰和武漢大學教授歐陽穩根合作，開發了一種生長石墨烯納米帶的全新方法，實現超高質量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，并演示了所生長的石墨烯納米帶可用于構建高性能場效應晶體管器件。相關研究在線發表于《自然》。

半導體器件的極限性能主要取決于半導體材料中載流子的遷移率。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，載流子遷移率可達硅的100倍以上。基于石墨烯的“碳基納米電子學”有望開啟人類信息社會的新時代。

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，但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得到解決。多項研究表明，石墨烯被氮化硼封裝之后，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，難以滿足未來先進微電子產業中規模化生產的需要。

為解決以上問題，研究團隊開發了一種全新的制備方法，實現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。觀測結果表明，石墨烯納米帶的生長只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。在此基礎上，團隊建立了精細的實驗模型，對石墨烯納米帶在氮化硼層間的滑移過程進行了系統的分子動力學模擬和第一性原理計算，發現施加相同大小的推力，納米帶插入氮化硼層間的距離顯著大于在氮化硼表面的運動距離，說明石墨烯納米帶在六方氮化硼原子層間滑移竟然比在表面滑移更容易。進一步地，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，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，器件的載流子遷移率超越以往報道結果。