絕緣基底上直接生長超長石墨烯納米帶

自從首次理論預言石墨烯納米帶（GNR）獨特的量子限域效應和邊緣電子態以來，人們對石墨烯納米帶（GNR）的研究已經持續了二十多年，然而這一領域仍充滿挑戰。與零帶隙的二維石墨烯相比，一維GNR具有豐富的量子物態。具體來說，理論預言扶手椅型邊緣的 GNR具有隨著寬度振蕩衰減的帶隙，而鋸齒形邊緣GNR具有自旋極化邊緣態、磁性和半金屬性。因此，GNR被認為在未來的納米電子、自旋電子和量子信息技術中有重要的應用前景。有鑒于此，人們發展了多種GNR制備技術，包括：自上而下將二維石墨烯片裁剪成一維GNR、碳納米管（CNT）解鎖法、自下而上化學氣相沉積生長、表面分子催化合成法等。然而，在絕緣基底上直接生長微米級長度的高質量超窄GNR至今仍是一個巨大挑戰，極大地限制了GNR在納米電子和自旋電子器件中的應用。

針對這一挑戰，上海交通大學物理與天文學院史志文課題組、王世勇課題組、韓國基礎科學研究所Feng Ding課題組、以色列特拉維夫大學Oded Hod課題組、武漢大學歐陽穩根課題組開展合作，利用納米顆粒催化化學氣相沉積，成功在絕緣六方氮化硼（hBN）基底上外延生長超長超窄GNR，并在理論上提出競爭形核機制和“范德瓦爾斯滑移”生長機理。相關研究成果以“Catalytic growth of ultralong graphene nanoribbons on insulating substrates”為題發表在材料科學權威雜志《Advanced Materials》上。

(a) 在六方氮化硼（hBN）基底上催化生長GNR示意圖。（b）所生長的GNR的原子力顯微鏡形貌圖，比例尺：200 nm。（c）一個armchair型GNR的高分辨掃描隧道顯微鏡形貌圖，比例尺：1 nm。（d）GNR寬度統計圖。（e）一個寬度為2 nm的GNR的掃描隧道譜，其帶隙約0.5 eV。

研究團隊發展了一種納米顆粒催化的化學氣相沉積法實現了在絕緣hBN基底上GNR的外延生長。利用這種方法合成的納米帶長度可達10微米。進一步的掃描隧道顯微鏡測量顯示，石墨烯納米帶的邊緣結構原子級平整，且平均寬度僅為2 nm左右。掃描隧道譜顯示納米帶具有較大的帶隙（0.5 eV ~ 1.5 eV），適合用于制造場效應晶體管器件。這種在絕緣基底上直接生長的大帶隙超長石墨烯納米帶為進一步大規模制備石墨烯基半導體器件奠定了基礎。

（a）石墨烯納米帶中一維摩爾超晶格的示意圖。（b）一維GNR/hBN超晶格AFM高度像。（c）高度振蕩曲線顯示超晶格周期約15 nm。（d）超晶格周期與納米帶手性角關系圖，藍色箭頭表示zigzag方向。

有趣的是，研究團隊發現生長的GNR和基底hBN晶格是對齊的，屬于范德華外延生長，且由于兩者晶格失配而形成了周期約為15 nm的一維摩爾超晶格。摩爾超晶格中蘊含豐富的物理，前期人們對二維摩爾超晶格的研究發現了許多有趣的關聯電子現象，包括莫特絕緣態、超導態、拓撲絕緣態和磁性等。本工作制備出的一維石墨烯摩爾超晶格為研究一維摩爾物理提供了一個理想實驗平臺。

GNR 和碳納米管 (CNT) 之間的競爭成核。（a，b）hBN基底上管狀CNT和平面GNR的結構示意圖。（c）在不同溫度和氫氣分壓下形成CNT和GNR的吉布斯自由能。（d）理論生長相圖，其中黃色和藍色區域分別表示有利于CNT和GNR的生長的條件。餅狀圖顯示了在不同生長條件下實驗上獲得的GNR（藍色）和CNT（橙色）產率。（e-g）為在 (d) 中標記的不同條件下三種典型生長結果的 AFM 圖像。比例尺，500 nm。隨著氫氣分壓的增加，可以清楚地觀察到GNR產率的系統性增長。

研究團隊還對生長機理進行了深入研究。通常，在碳源氣氛中金屬納米顆粒會催化生長出一維碳納米管（CNT）結構，而本研究中引入的原子級平整hBN基底使得納米顆粒催化生長GNR成為可能。在原子級平整的hBN基底上，平面結構的GNR與基底之間的范德華相互作用大于管狀結構的CNT與基底之間的相互作用，因此平面結構的GNR生長具有更低的自由能。理論上，生長GNR的自由能還受到溫度和氫氣分壓的影響。研究人員計算了GNR和CNT的生長相圖，與實驗結果匹配得非常好。另一方面，在生長過程中還存在一種“范德瓦爾斯滑移”生長機制。GNR與hBN基底之間的超潤滑特性使得微米級長度的GNR仍可在hBN基底上自由滑移，進而生長出超長GNR。這些理論分析為深入理解一維碳納米材料生長，進而實現結構調控提供了重要依據。獲 取 更多前沿科技研究 進展訪問：https://byteclicks.com

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關鍵詞： 化學氣相沉積 相互作用 掃描隧道顯微鏡