石墨烯納米帶（GNR）是一種準一維的石墨烯納米結構，根據(jù)結構不同可表現(xiàn)出準金屬或半導體特性。該特性取決于GNR的手性，包括寬度、晶格取向和邊緣結構。根據(jù)不同的邊緣結構，GNR可分為“鋸齒型”（ZZ）和“扶手椅型”（AC）。GNR具有高遷移率和載流能力，且由于量子限域和邊緣效應，其能夠開啟帶隙。該特性使GNR有望成為包括納米尺度場效應晶體管、自旋電子器件和片內互連線在內的候選材料。但在絕緣襯底表面，可控地制備具有邊緣特異性的亞5納米寬的GNR仍是難題。 

近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員王浩敏團隊首次在六角氮化硼（h-BN）表面制備出手性可控的GNR并進行輸運性質研究。相關研究成果以Towards Chirality Control of Graphene Nanoribbons Embedded in Hexagonal Boron Nitride為題，在線發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）上。

h-BN是一種具有優(yōu)異化學和熱穩(wěn)定性的寬帶隙二維材料，其具有六角蜂窩網(wǎng)狀晶體結構和原子級平整的表面，不存在表面懸掛鍵和陷阱電荷，是可保持GNR本征電學性質的理想襯底。 

此前，王浩敏團隊通過引入硅烷進行氣相催化，在h-BN表面實現(xiàn)石墨烯晶疇的快速生長（Nat. Commun. 6，6499 (2015)）和邊界調控（Nanoscale，9，11475(2017)）；首次通過采用h-BN溝槽作為生長模板，實現(xiàn)取向GNR的可控生長，開啟帶隙（Nat. Commun. 8，14703 (2017)）。上述研究為在h-BN襯底上制備亞5納米寬的手性可控的GNR奠定實驗基礎。 

研究人員利用不同金屬納米顆粒在h-BN表面刻蝕出邊緣平直且沿特定取向（ZZ和AC）的具有單原子層厚度的溝槽，通過化學氣相沉積法在溝槽中制備出寬度小于5納米的高質量取向可控GNR。研究人員與維也納大學教授Jannik Meyer課題組合作，借助掃描透射電子顯微鏡，揭示石墨烯和h-BN邊界處的面內外延生長方式，制備得到的GNR邊緣原子級平整。進一步的電輸運測量結果表明，所有亞5納米寬度的ZGNR均顯示出大于0.4eV的帶隙，而窄的AGNR的帶隙隨寬度變化較大。由帶隙較大的GNR制成的晶體管在室溫下的開關比大于105，載流子遷移率高于1500cm2 V-1 s-1。此外，在8-10納米寬的ZGNR的轉移曲線中觀察到明顯的電導峰，而在大多數(shù)AGNR中未觀測到。GNR的磁輸運研究表明，ZGNR具有較小磁導，而AGNR具有更高磁導值。 

該研究首次將手性可控的GNR面內集成在h-BN晶格中，是面向開發(fā)具有原子層厚度的高性能集成電路邁出的重要一步，為實現(xiàn)操控和堆垛具有極薄厚度的復雜納米集成電路提供新途徑。 

該研究工作的第一單位為上海微系統(tǒng)所，上海微系統(tǒng)所博士生王慧山和陳令修、維也納大學博士Kenan Elibol、華中科技大學賀立為論文的共同第一作者，王浩敏和Jannik Meyer為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金面上項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）和上海市自然科學基金的資助。 

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00806-2

圖1.嵌入h-BN中手性可控的GNR制備方法 

圖2.嵌入h-BN的特定取向納米溝槽和不同手性GNR