【摘要】 近日，国际顶尖期刊Nature（《自然》）在线发表了以“Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics”的研究论文。

近日，国际顶尖期刊Nature（《自然》）在线发表了以“Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics”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Izaac Mitchell。共同通讯作者为史志文教授、特拉维夫大学Michael Urbakh教授、深圳先进技术研究院丁峰教授和武汉大学欧阳稳根教授。上海交通大学是论文的第一完成单位和通讯单位。

硅，元素周期表中的第14号元素，是电子芯片的核心材料。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。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。然而，由于硅材料的载流子迁移率不够高（<1000 cm2V-1s-1），严重制约了硅基器件的响应速度和运算频率，越来越无法满足人们日益增长的对大规模高速计算的需求。
与硅处在相同主族的第6号元素碳的一种二维新结构——石墨烯，于2004年首次实验发现，为高性能电子器件的开发带来了曙光。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。石墨烯中的电子为无质量的狄拉克费米子，能以极快的速度穿梭，石墨烯的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。
然而，二维石墨烯没有带隙，无法直接用来制作晶体管器件。
理论物理学家提出可以通过把二维石墨烯裁剪成准一维的纳米条带的方式通过量子限域效应来引入带隙。石墨烯纳米带的带隙大小与其宽度成反比，宽度小于5纳米的石墨烯纳米带具备与硅相当的带隙大小，适合用来制造晶体管。这种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。
基于封装石墨烯纳米带的碳基芯片概念图
有鉴于此，科研人员投入了大量精力研究石墨烯纳米带的制备，尽管目前已经发展了多种制备石墨烯纳米带的方法，但在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。特别地，已制备出的石墨烯纳米带的载流子迁移率均远低于理论值。此差异一方面来自于石墨烯纳米带本身质量不高；另一方面来自于纳米带周围环境的无序，由于石墨烯纳米带的低维属性，其电子全部暴露在外界环境中的，因此电子的运动极其容易受到周围环境影响。
为了提高石墨烯器件性能，人们尝试了多种方法来减少环境带来的无序效应。迄今为止最成功的方法是六方氮化硼（hBN，以下简称氮化硼）封装法。氮化硼是一种宽带隙二维层状绝缘体，具有与石墨烯一样的蜂窝状六角晶格。更重要的是，氮化硼具有原子级平整的表面和优异化学稳定性。如果把石墨烯夹在（封装在）两层氮化硼晶体之间，形成三明治结构，石墨烯“夹心”将与外界复杂环境中的“水、氧、和微生物”隔绝，使得“夹心”可以一直保持在“最优质且新鲜”的状态。多项研究表明，石墨烯被氮化硼封装之后，包括载流子迁移率在内的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，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。

被忽视的（原子层间）空间

针对以上挑战，上海交通大学史志文教授团队另辟蹊径，开发出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。
六方氮化硼原子层间嵌入式生长石墨烯纳米带
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（CVD）实现的。“在2022年我们就报道了在氮化硼表面生长的纳米带长度可达10微米的“超长石墨烯纳米带”，但是层间纳米带的长度已经远远超过这个记录。现在限制石墨烯纳米带长度上限的已经不是生长机理，而是氮化硼晶体的尺寸。“论文第一作者吕博赛博士说。据了解，在层间生长的石墨烯纳米带长度可达亚毫米量级，远超以往报道的结果。
“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。”

原子层间的滑移摩擦消失了

为了揭示生长机理，史志文教授团队与武汉大学欧阳稳根教授团队、特拉维夫大学Michael Urbakh教授团队、深圳先进技术研究院丁峰教授团队的密切合作，发现层间超长zigzag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。
实验观测表明，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。这说明纳米带的末端会向石墨烯纳米带施加一个推动力，使得整条纳米带克服其与周围氮化硼之间的摩擦力而不断滑动，使得首端逐渐远离催化剂颗粒。因此，研究人员推测，石墨烯纳米带在氮化硼原子层间滑移时受到的摩擦力必须非常小。
为了验证这个猜测，研究人员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。结果表明，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。也就是说，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！

“原位封装”的石墨烯纳米带晶体管

由于所生长的石墨烯纳米带被绝缘氮化硼“原位封装”，免受器件加工过程中吸附、氧化、环境污染和光刻胶接触的影响，所以理论上可获得超高性能纳米带电子器件。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，测量结果表明，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，室温下的开关比可达106。更值得关注的是，器件的载流子迁移率高达4,600cm2V–1s–1，超越以往报道的结果。
“原位封装”的石墨烯纳米带晶体管
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。
本工作得到科技部、自然科学基金委的资助，在此深表感谢。
该成果上海交大团队主要成员：
（从左至右）陈佳俊、沈沛约、娄硕、吕博赛、史志文
实验室网站：https://zhiwen.sjtu.edu.cn
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07243-0

来源：上海交通大学