关键一步！超高质量石墨烯纳米带制备迎来突破

3月28日，上海交通大学物理与天文学院教授史志文、以色列特拉维夫大学教授Michael Urbakh、深圳先进技术研究院教授丁峰和武汉大学教授欧阳稳根合作，开发了一种生长石墨烯纳米带的全新方法，实现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。相关研究在线发表于《自然》。

半导体器件的极限性能主要取决于半导体材料中载流子的迁移率。石墨烯是一种由单层碳原子以蜂窝状排列而成的二维晶体，具有独特的电子能带结构和优异的电子学特性，载流子迁移率可达硅的100倍以上。基于石墨烯的“碳基纳米电子学”有望开启人类信息社会的新时代。

同时具备带隙和超高迁移率的石墨烯纳米带是碳基纳米电子学的理想候选材料之一，但可用于半导体器件的高质量石墨烯纳米带的制备问题一直没有得到解决。多项研究表明，石墨烯被氮化硼封装之后，多项性能会得到显著提升，然而已有的机械封装法效率很低，难以满足未来先进微电子产业中规模化生产的需要。

为解决以上问题，研究团队开发了一种全新的制备方法，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。观测结果表明，石墨烯纳米带的生长只发生在催化剂的颗粒处，而且整个过程中催化剂的位置保持不变。在此基础上，团队建立了精细的实验模型，对石墨烯纳米带在氮化硼层间的滑移过程进行了系统的分子动力学模拟和第一性原理计算，发现施加相同大小的推力，纳米带插入氮化硼层间的距离显著大于在氮化硼表面的运动距离，说明石墨烯纳米带在六方氮化硼原子层间滑移竟然比在表面滑移更容易。进一步地，研究人员基于层间生长的纳米带制备了场效应晶体管（FET）器件，石墨烯纳米带FETs都表现出典型的半导体器件的电学输运特性，器件的载流子迁移率超越以往报道结果。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07243-0