上海交大团队开发超高质量石墨烯纳米带

本文转自：人民日报客户端

姜泓冰

国际顶尖期刊《自然》近日在线发表了上海交通大学等科研团队的研究论文。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。

论文共同第一作者为上海交通大学物理与天文学院吕博赛、陈佳俊、娄硕、沈沛约、谢京旭，武汉大学王森和韩国蔚山国立科学技术学院的邱璐和伊扎克-米切尔。共同通讯作者为史志文教授、特拉维夫大学迈克尔-乌尔巴赫教授、深圳先进技术研究院丁峰教授和武汉大学欧阳稳根教授。

随着微纳加工技术的进步，硅基半导体器件的性能已经非常接近其理论极限，越来越无法满足大规模高速计算的需求。2004年，人们发现了石墨烯这种由单层碳原子以蜂窝状排列而成的二维晶体，它具有独特的电子能带结构和优异的电子学特性，其中的电子为无质量的狄拉克费米子，能以极快的速度穿梭，载流子迁移率可达硅的100倍以上。然而，二维石墨烯没有带隙，无法直接用来制作晶体管器件。

科研人员投入大量精力研究石墨烯纳米带的制备，尽管已经发展了多种方法，但可用于半导体器件的高质量石墨烯纳米带仍未被成功制备，已有石墨烯纳米带的载流子迁移率均远低于理论值。这一方面由于石墨烯纳米带本身质量不高，另一方面由于石墨烯纳米带的低维属性，其电子运动极易受到周围环境影响。人们尝试了多种方法来减少环境带来的无序效应，最成功的是“六方氮化硼封装法”。氮化硼既有与石墨烯一样的蜂窝状六角晶格，也有原子级平整的表面和优异化学稳定性。多项研究表明，用氮化硼封装后，石墨烯的载流子迁移率等多项性能都会得到显著提升。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中规模化生产的需要。

基于封装石墨烯纳米带的碳基芯片概念图 采访对象供图

针对这些挑战，上海交通大学史志文教授团队另辟蹊径，开发出全新的制备方法，实现了石墨烯纳米带在氮化硼层间的嵌入式生长，形成了独特的“原位封装”的半导体性石墨烯纳米带。据吕博赛博士介绍，层间石墨烯纳米带的生长是通过一种纳米颗粒催化的化学气相沉积实现的，目前其生长长度已可达亚毫米量级。

“这种层间嵌入式生长很神奇。”史志文教授说，“通常情况下，材料生长往往是在一种基底材料的表面生长另一种，而我们的纳米带则直接生长在六方氮化硼原子层间，很难想象纳米带是如何在狭小的原子层间生长的。”

为了揭示生长机理，史志文教授团队与武汉大学、特拉维夫大学、深圳先进技术研究院相关团队密切合作，发现层间超长z字形纳米带的形成是氮化硼层间超润滑特性（近零摩擦损耗）的结果。

研究人员基于层间生长的纳米带制备了场效应晶体管器件，测量结果表明，这些器件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，载流子迁移率高达4600 cm2V–1s–1，超越以往报道的结果。

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。