通訊作者：Changxin Chen, Wendy L. Mao, Hongjie Dai
通訊單位：上海交通大學(xué), 斯坦福大學(xué)
提高集成電路的性能、降低電路功耗通常是通過減小晶體管的大小實現(xiàn)，但是發(fā)展至今硅基晶體管由于尺寸不斷減小已接近其物理上和技術(shù)上的極限。石墨烯由于具有原子層厚度和高的載流子遷移率，是潛在的晶體管候選材料。然而，本征石墨烯是一種半金屬材料、無帶隙，因此無法實現(xiàn)晶體管的開和關(guān)特性。
人們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)石墨烯的寬度縮小至10納米以下時，能夠產(chǎn)生帶隙顯示半導(dǎo)體性，石墨烯納米帶具有潛在的電子學(xué)和光電子學(xué)器件的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵問題在于：高質(zhì)量的石墨烯納米帶的制備很困難，其中的問題包括難獲得寬度很窄且邊緣光滑的納米帶，而且納米帶的邊緣和表面缺陷位點會導(dǎo)致石墨烯納米帶無法形成足夠大的能帶間隙?？傊?，制備具有光滑邊緣、較大帶隙、高遷移率的窄且長的石墨烯納米帶仍具有很大的難度。
新發(fā)展：將碳納米管壓扁成石墨烯納米帶
有鑒于此，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子學(xué)系陳長鑫、斯坦福大學(xué)Wendy L. Mao和戴宏杰作為共同通訊作者報道了一種新穎的石墨烯納米帶的制備方法。
研究人員通過一種高壓和熱的處理方法可壓扁碳納米管，生成邊緣原子級光滑的閉合邊緣石墨烯納米帶。這種方法能夠制備亞5納米寬度的石墨烯納米帶，可將樣品中54 %的單壁和雙壁碳納米管轉(zhuǎn)變?yōu)槭┘{米帶。此外，作者也在高壓條件下使用硝酸作為氧化劑對壓扁的碳納米管的邊緣進行選擇性刻蝕，得到了邊緣開放的石墨烯納米帶。
作者將制備的約2.8 nm寬的邊緣閉合的石墨烯納米帶構(gòu)建了場效應(yīng)晶體管。器件的開關(guān)比可高于104，對應(yīng)石墨烯納米帶被估計具有494 meV的帶隙。器件的場效應(yīng)遷移率達(dá)2443 cm2 V-1 s-1。
此項工作被新加坡國立大學(xué)的Chee-Tat Toh教授在Nature Electronics期刊上進行了正面評述，肯定了該工作的重要意義。
高壓+熱，雙重處理
本文作者發(fā)展的通過一種高壓和熱的處理將碳納米管壓扁的方法能夠以較高的產(chǎn)率制備寬度低于10 nm的石墨烯納米帶。這種方法能夠得到亞5納米寬度的很窄的石墨烯納米帶，最小的納米帶的寬度可低至1.4 nm。這種石墨烯納米帶的形成是通過高壓和熱處理共同作用實現(xiàn)的。高壓和熱處理后碳納米管在徑向發(fā)生不可逆的重要變形，導(dǎo)致形成閉合邊緣的石墨烯納米帶。
圖1. 通過高壓和熱處理壓扁碳納米管制備邊緣閉合的石墨烯納米帶
圖2. 制得的石墨烯納米帶和碳納米管的表征
1. 碳納米管的合成。通過催化劑輔助化學(xué)氣相沉積方法分別合成了兩種碳納米管材料：
（1）通過浮動催化劑CVD法合成了3.7 nm的碳納米管（直徑區(qū)間1.9-6.4 nm，70±5 %的碳納米管為單層/雙層，此外還有少量多層碳納米管）；
（2）通過在基片上制備催化劑用于CVD合成的方法制作了直徑為0.8-3 nm的碳納米管（主要為雙壁碳納米管，含有少量單壁或三層碳納米管）。
2. 高壓處理碳納米管。作者通過金剛石對頂砧設(shè)備（DAC）進行碳納米管的高壓處理。實驗中通過原位Raman光譜法表征壓力從大氣壓增加至22.8 GPa過程中樣品結(jié)構(gòu)變化的情況。在常壓條件下，發(fā)現(xiàn)116 cm-1徑向共振振動（RBM）特征峰，當(dāng)壓力逐漸增加，該峰位逐漸藍(lán)移、峰強度降低，當(dāng)壓力達(dá)到5.5 GPa，徑向結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致RBM特征峰消失。
圖4. 高壓處理合成石墨烯納米帶的原位拉曼表征
同時，拉曼峰的G峰同樣隨著壓力增加而藍(lán)移，同時振動峰的強度減小，這種藍(lán)移是因為在壓力作用下C-C鍵鍵長縮小導(dǎo)致鍵的振動頻率增大。G峰偏移與壓力的變化呈大致線性關(guān)系，但是當(dāng)壓力達(dá)到4 GPa時，發(fā)現(xiàn)G峰藍(lán)移的速率發(fā)生了改變。從這現(xiàn)象能推出在4 Gpa壓力時出現(xiàn)了重要的徑向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
3. 高壓下的熱處理。當(dāng)壓力達(dá)到22.8 Gpa最高壓力時，保持此壓力將樣品加熱至220 ℃對樣品進行熱處理可使處理后的樣品結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，熱處理后通過快的空氣氣流吹將樣品快速冷卻至室溫，最后將壓力逐漸卸載減小至大氣壓力。研究發(fā)現(xiàn)該處理有利于被壓扁材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
高性能場效應(yīng)晶體管
作者進一步通過寬度為2.8 nm的納米管制作了場效應(yīng)晶體管器件，實現(xiàn)了2443 cm2 V-1 s-1的場效應(yīng)遷移率，開態(tài)導(dǎo)電率和開關(guān)比分別達(dá)到7.42 mS和>104，制得納米帶的帶隙被估計為~0.49 eV。結(jié)果表明這種石墨烯納米帶材料具有在邏輯電路中的應(yīng)用前景。
圖3. 石墨烯納米帶場效應(yīng)晶體管的性能
此外，該工作的研究意義還在于：
1）將碳納米管壓平為納米帶的轉(zhuǎn)變過程與碳納米管原料的類型（半導(dǎo)體性或金屬性）無關(guān)，只要滿足相關(guān)條件就能制得被壓扁的石墨烯納米帶。
2）該項工作通過使用單壁、雙壁以及更多壁數(shù)的碳納米管作為原料，能夠分別得到雙層、四層以及更多層數(shù)的石墨烯納米帶。這樣制得的多層納米帶結(jié)構(gòu)可增加器件電流以滿足集成電路應(yīng)用需要較大器件電流的場合，而不需要將石墨烯納米帶或碳納米管制作成陣列來滿足此需求，這樣可使得制作的晶體管尺寸很小。
3）這種邊緣閉合的多層石墨烯納米帶比邊緣打開的石墨烯納米帶具有更高的穩(wěn)定性，能夠更好地克服出現(xiàn)在邊緣的材料破裂和化學(xué)反應(yīng)的問題。
總體而言，這項研究發(fā)展了一種新穎的石墨烯納米帶的制備方法，為石墨烯納米帶在電子和光電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用起到了重要推動作用。
參考文獻(xiàn)：
【1】Chen, C.; Lin, Y.; Zhou, W.; et al. Sub-10-nm graphene nanoribbons with atomically smooth edges from squashed carbon nanotubes. Nat Electron (2021).
DOI: 10.1038/s41928-021-00633-6
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00633-6
【2】Chee-Tat Toh. Squashing carbon nanotubes into nanoribbons, Nat Electron (2021).
DOI: 10.1038/s41928-021-00645-2
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00645-2
