在国家自然科学基金项目（批准号：51772317、51302096）等资助下，中国科学院上海微系统与信息技术研究所王浩敏研究员团队首次在六角氮化硼表面成功制备了手性可控的石墨烯纳米带（GNR）。研究成果以“对嵌入六角氮化硼晶格中石墨烯纳米带的手性调控（Towards Chirality Control of Graphene Nanoribbons Embedded in Hexagonal Boron Nitride）”为题，于2020年9月21日在线发表于《自然材料》（Nature Materials）期刊。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00806-2。
石墨烯纳米带（GNR）是一种准一维的石墨烯纳米结构，根据结构不同可表现出准金属或半导体特性。该特性取决于GNR的手性，具体包括宽度、晶格取向和边缘结构。根据不同的边缘结构，GNR主要分成“锯齿型”（ZZ）和“扶手椅型”（AC）两类。GNR不仅具有高迁移率和载流能力，而且由于量子限域和边缘效应，故其能够开启带隙。这些特性使GNR有望成为构筑包括纳米尺度场效应晶体管、自旋电子器件和片内互连线在内的候选材料。然而，在绝缘衬底表面，可控地制备具有边缘特异性的亚5纳米宽的GNR仍然是一个科学难题。
六方氮化硼（h-BN）是一种具有优异的化学和热稳定性的宽带隙二维材料。h-BN具有六角蜂窝网状晶体结构和原子级平整的表面，且无表面悬挂键和陷阱电荷，是可以保持GNR本征电学性质的理想衬底。此前，该研究团队通过引入硅烷进行气相催化，在h-BN表面成功实现了石墨烯晶畴的快速生长[Nat. Commun., 6, 6499 (2015)]和边界调控[Nanoscale, 9, 11475 (2017)]。随后，首次通过采用h-BN沟槽作为模板，实现了取向GNR的可控生长，成功开启带隙[Nat. Commun. 8, 14703 (2017)]。这些工作为最终制备出亚5纳米宽的手性可控的GNR奠定了实验基础。
研究团队利用不同金属纳米颗粒在h-BN表面刻蚀出边缘平直且沿特定取向(ZZ和AC)的具有单原子层厚度的沟槽，通过化学气相沉积法在沟槽中制备出宽度小于5纳米的高质量取向可控GNR。通过与维也纳大学詹尼克·迈耶（Jannik Meyer）教授课题组合作，借助扫描透射电子显微镜揭示了石墨烯和h-BN边界处的面内外延生长方式，并且制备得到的GNR边缘原子级平整。进一步地，电输运测量结果表明，所有亚5纳米宽度的锯齿型石墨烯纳米带（ZGNR）都显示出大于0.4 eV的带隙，而较窄的扶手椅型石墨烯纳米带（AGNR）的带隙随宽度变化较大。由带隙较大的GNR制成的晶体管在室温下的开关比大于105，载流子迁移率高于1,500 cm2 V-1 s-1。此外，在8-10 纳米宽的ZGNR的转移曲线中观察到明显的电导峰，而在大多数AGNR中却没有观测到。同时，GNR的磁输运研究表明，ZGNR具有较小的磁导，而AGNR具有更高的磁导值。
该研究首次成功将手性可控的石墨烯纳米带面内集成在h-BN晶格中，是面向开发具有原子层厚度的高性能集成电路迈出的重要一步，为操控和堆垛极薄的复杂纳米集成电路提供了新途径。
图1 嵌入h-BN中手性可控的GNR制备方法
图2 嵌入h-BN的特定取向纳米沟槽和不同手性GNR
图3 不同宽度的扶手椅型（AC）和锯齿型（ZZ）石墨烯纳米带的场效应特性