说合布景

石墨烯是一种二维晶体材料，由成列在蜂窝格子中的碳原子单层构成，具有出色的电学和机械性能，因此引起了平庸温文。相关词，原始的石墨烯由于枯竭电子带隙，在某些电子器件应用中存在结果。为了克服石墨烯的缺点，东谈主们初始说合石墨烯纳米带（GNRs），这是石墨烯的一维繁衍物，由于量子敛迹而具有有限带隙。表面上，亚5 nm宽的原始GNRs不错弘扬出相宜室温开关操作的大带隙，这使其成为数字逻辑和射频电子应用的理念念平台。

相关词，在实质应用中，依然制备的GNR器件的性能低于预期，主如果由于杂质效应导致的。现存的石墨烯和石墨烯纳米带器件在实质应用中弘扬欠安，主要受到杂质效应的结果。这些效应包括晶格劣势、应变、名义粗拙度、欺侮物的物理和化学吸附以及基板带电杂质。这些问题尤其凸起，因为GNRs具有低维特质，只具有名义和旯旮。

为了措置这些问题，说合东谈主员初始探索各式设施来减少杂质效应，包括热退火、等离子体名义清洁、悬浮结构的制备、基于团员物的革新到平坦基底和范德华封装。范德华封装被以为是最到手的设施之一，它波及将石墨烯封装在六方氮化硼（hBN）堆叠之间，以减少杂质效应。相关词，现存的范德华封装设施频频使用机械革新时代，难以戒指，易受欺侮，何况无法彭胀。因此，说合东谈主员初始寻找新的设施来达成范德华封装，以措置这些问题。

效用简介

鉴于此，上海交通大学凝华态物理说合所史志文课题组、韩国基础科学说合院丁峰考验、以色列特拉维夫大学Michael Urbakh考验、武汉大学欧阳稳根课题组长入提议了一种无革新的告成孕育镶嵌式GNRs的设施，这些GNRs孕育在hBN堆叠中。通过这种设施，他们到手地制备了超长、超窄且同手性的镶嵌式GNRs。他们的原子模拟露馅，这种孕育机制波及在AA'堆叠的hBN层之间滑动时的超低GNR摩擦。运用这种设施制备的GNR器件弘扬出了优厚的电子特质，包括高移动率和高开关比，反应了这种新设施的有用性。以上效用于Nature期刊发表题为“Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics”的最新论文，引起了不小的温文！

图文导读

图1的履行和分析是为了筹议镶嵌式石墨烯纳米带（GNRs）的孕育经过和结构特征。在图1中，a图展示了镶嵌式GNRs的孕育经过暗意图，讲解了通过化学气相千里积（CVD）在hBN堆叠中告成孕育GNRs的经过。b图是扫描电子显微镜（SEM）图像，展示了看成孕育产品的镶嵌式GNRs，以及与之相邻的hBN层堆叠情况。c图是透射电子显微镜（STEM）的暗场图像，露馅了一条宽度为3.3纳米的单层GNR的横截面。在d图中，放大了c图中的部分，露馅了每个亮堂的黑点代表一个Zigzag石墨烯或hBN链的轴向视图。e图展示了经典力场缱绻得到的3.3纳米宽GNR镶嵌40层hBN堆叠的横截面原子结构。终末，在f图中将履行图像与缱绻结构调换，展示了履行结果与缱绻结果之间的显着一致性。这些履行结果对咱们证明镶嵌式GNRs的孕育机制和镶嵌式结构起到了关节作用。STEM图像展示了镶嵌式GNRs对hBN堆叠的扰动情况，有助于咱们证明GNRs与周围环境的相互作用。

图1. 告成孕育的镶嵌式石墨烯纳米带

在图2中，最初使用扫描电子显微镜（SEM）提供了镶嵌式GNRs的俯瞰图像，露馅出GNRs的高对比度和直线样式，长度界限从几个到几百微米不等（见图2a、b）。与此同期，他们发现，镶嵌式GNRs的纵横比达到了惊东谈主的1×105，远远罕见以往任何设施制备的GNRs。此外，镶嵌式GNRs主要沿着hBN堆叠的Zigzag轴孕育，何况较长的GNRs露馅出更高的成列倾向，这标明了孕育主义的选拔性（见图2b、e）。此外，图中还展示了镶嵌式GNRs的手性分辩，露馅出对Zigzag型GNRs的厉害偏好，并呈现出与相邻hBN层之间的一维moire超结构（见图2f、g、h、i）。这些履行结果有助于长远证明镶嵌式GNRs的孕育机制以过火与hBN堆叠之间的相互作用，为GNRs在电子器件中的应用提供了迫切参考。

图2. 超长镶嵌式锯齿形 GNR 弘扬出一维莫尔超结构

为了解析镶嵌式GNR的孕育机制，说合者进行了图3的分子能源学模拟。在图3中，作家通过模拟ZZ-GNRs和armchair GNRs（AC-GNRs）在hBN层之间和之上的滑动洞开，说合者揭示了孕育经过中的关节要素。履行结果露馅，在给定的推力作用下，镶嵌式ZZ-GNRs的浸透距离赫然大于镶嵌式AC-GNRs和名义孕育的ZZ-GNRs。通过分析ZZ-GNR在hBN名义上和里面的滑动能量景不雅，发咫尺hBN层之间滑动时，ZZ-GNRs不错达成着实无摩擦的滑动，而在hBN名义上滑动时则会遭受较高的摩擦。关于AC-GNRs，天然也存在聚首的粗劣谷，但为了幸免高能峰，需要更大的侧向洞开和石墨烯带在滑动轨迹上的变形。这些结果标明，层间晶格共格、变形能处分、范德华相互作用和摩擦能量耗散是影响镶嵌式GNR孕育的关节要素。通过优化这些要素，达成了高选拔性地孕育超长的ZZ-GNRs。

图3. 镶嵌式 GNR 滑动机理

图4展示了FET器件的主要特征和性能。最初，图中展示了FET器件的暗意图（见图4a），随后提供了一个典型的镶嵌式GNR FET器件的SEM图像，其中露馅了两个Au/Cr源走电极（插图）。电性战斗是通过等离子体反应刻蚀hBN/GNR/hBN异质结来达成的，然后进行了金属引线千里积。为解析解器件的电学特质，绘画了源走电流（Isd）看成源走电压（Vsd）和栅极电压（Vg）的二维彩色图（见图4b）。不雅察到了典型的菱形图案，其中低电流区域对应于GNR带隙中的费米能位。图4c和4d露馅了在代表性Vsd和Vg处的Isd的线性切片，标明了高达106的开关比。通过相比不同器件的弘扬，发现了出色的FET特质。此外，说合东谈主员测量了GNR器件的移动率，并发咫尺室温下达到了1400-4600 cm^2 V^-1 s^-1的界限内，何况在10K的温度下，达到了约74,000 cm^2 V^-1 s^-1的高值。这些结果反应了镶嵌式GNR样品的低劣势密度和高均匀性。此外，所测得的较小的亚阈值摆幅标明了这些器件的优异性能，这在室温下赢得了，标明了镶嵌式GNR看成纳米电子器件的可行性。

图4. 基于镶嵌式 GNR 的超卓 FET论断与瞻望

本说合设置了一种立异的催化孕育设施，不错在氮化硼层堆叠中告成孕育高质地的石墨烯纳米带(GNRs)，而无需传统的机械革新时代。这一设施不仅措置了现存时代中存在的难以戒指、易受欺侮和不成彭胀的问题，还达成了GNRs的超长、超窄和同手性特质的一体孕育。通过对镶嵌式GNRs的孕育机制的长远证明，咱们展示了GNRs的优异电子性能，包括高达4,600 cm²/Vs的载流子移动率和高达106的开关比。这一说合为基于GNRs的高性能电子器件的底部制备掀开了新的阶梯，为纳米电子学和量子缱绻限制的发展提供了迫切的科学基础。

文件信息

Lyu, B., Chen, J., Wang, S. et al. Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics. Nature (2024).