欧阳稳根教授团队Nature发文揭示超长石墨烯纳米条带生长机制

教育资讯 2024年4月8日

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3月27日，Nature（《自然》）发表了武汉大学土木建筑工程学院、水资源工程与调度全国重点实验室欧阳稳根教授团队与合作者关于超长石墨烯纳米条带在六方氮化硼层间生长机制的最新研究成果，论文题目为“Graphene Nanoribbons Grown in hBN Stacks for High-Performance Electronics”。该研究成功实现了超长、超窄、单手性石墨烯纳米带在六方氮化硼晶体层间的嵌入式生长并揭示了其微观机制，同时演示了所生长的石墨烯纳米条带可用于构建高性能场效应晶体管器件。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。武汉大学为并列第一作者单位和通讯单位。

准一维的石墨烯纳米条带（GNR）具有因量子限域效应而打开的带隙，且带隙可通过GNR宽度和边缘结构来调控，有望解决本征二维石墨烯缺乏带隙，难以直接用于制作晶体管器件的缺憾，是未来高性能电子器件与芯片的理想候选材料。但是现有的实验方法在制备GNR的过程中容易受到晶格缺陷、应变、表面粗糙度以及衬底中电荷杂质等无序效应的影响，尚无法制备出可用于半导体器件的高质量GNR，难以满足未来先进微电子产业发展的需要。

针对这一问题，上海交通大学史志文教授团队开发出一种全新的制备方法，实现了GNR在六方氮化硼层间的超长（亚毫米量级）、超窄（小于5纳米）和单手性生长（之字形，zigzag）。此外，由于这种GNR在生长的同时就被六方氮化硼“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，基于此层间GNR制备的场效应晶体管展现出优异的性能：载流子迁移率达4,600 cm²V^–1s^–1，开关比可达10⁶，是目前在超窄GNR中所实现的最高纪录。这些出色的性能表明制备的层间GNR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。

为揭示GNR在六方氮化硼层间的生长机制，武汉大学欧阳稳根教授团队基于前期自主开发的各向异性力场对实验体系进行了大规模分子动力学模拟，发现GNR在六方氮化硼层间滑移时呈现超滑性质（近零摩擦磨损），且相对于其他手性的GNR，之字形GNR在六方氮化硼层间滑动的摩擦力要低很多，最终导致了超长GNR的单手性生长。模拟的结果得到了特拉维夫大学Michael Urbakh教授团队的理论分析和深圳先进技术研究院丁峰教授团队第一性原理计算的支撑。本文所采用的计算与分析方法亦适用于一般的范德华层状材料体系。

石墨烯纳米带在氮化硼层间的生长、性能表征以及机理分析

上海交通大学物理与天文学院吕博赛博士、陈佳俊博士、武汉大学博士生王森、上海交通大学物理与天文学院博士生娄硕、沈沛约、谢京旭以及韩国蔚山国立科学技术学院的邱璐博士和Izaac Mitchell博士为论文共同第一作者；武汉大学欧阳稳根教授、特拉维夫大学Michael Urbakh教授、深圳先进技术研究院丁峰教授和上海交通大学的史志文教授为论文共同通讯作者。论文的合作者还包括上海交通大学物理与天文学院王世勇教授、李听昕教授、陈国瑞教授、王孝群教授、贾金锋教授、梁齐教授、李灿博士、胡成博士、周先亮，以及以色列特拉维夫大学Oded Hod教授，日本国立材料研究所Kenji Watanabe教授和Takashi Taniguchi教授。本工作得到科技部、国家自然科学基金委、湖北省自然科学基金委和武汉大学人才启动经费的资助，所涉及的计算模拟主要在武汉大学超算中心和国家天河II号超算中心完成。